Conversiones de unidades (equivalentes)
Longitud
1 milla náutica (EUA)
1 angstrom
1 año luz (al)
Volumen
1.057 (qt EUA) ϭ ...
FÍSICA 1PRINCIPIOS CON APLICACIONES
FÍSICA 1PRINCIPIOS CON APLICACIONES
SEXTA EDICIÓN
DOUGLAS C. GIANCOLI
REVISIÓN TÉCNICA:
Agustín Vázquez Sánchez
InstitutoT...
Editor-in-Chief, Science: John Challice
Senior Acquisitions Editor: Erik Fahlgren
Senior Development Editor: Karen Karlin
...
vii
CONTENIDO
LISTA DE APLICACIONES xiii
PREFACIO xv
COMPLEMENTOS Y MEDIOS AUDIOVISUALES
DISPONIBLES xxiii
NOTAS A LOS EST...
6 TRABAJO Y ENERGÍA 136
6-1 Trabajo realizado por una fuerza constante 137
*6-2 Trabajo realizado por una fuerza variable ...
11 VIBRACIONES Y ONDAS 286
11-1 Movimiento armónico simple 287
11-2 La energía en el oscilador armónico simple 289
11-3 El...
*15-11 Interpretación estadística de la entropía
y de la segunda ley 428
*15-12 Contaminación térmica y calentamiento
glob...
*20-9 Torca sobre un lazo de corriente;
momento magnético 570
*20-10 Aplicaciones: galvanómetros, motores,
bocinas 571
*20...
25-4 Telescopios 706
*25-5 Microscopio compuesto 708
*25-6 Aberraciones de lentes y espejos 710
25-7 Límites de resolución...
APLICACIONES xiii
APLICACIONES A LA BIOLOGÍA Y LA MEDICINA
Capítulo 1
Estimación del número de latidos
en una vida 13
Capí...
Capítulo 13
Juntas de expansión 354
Apertura de una tapa apretada 359
Desbordamiento del tanque
de gasolina 359
Peralte de...
xv
Ver el mundo a través de ojos que saben física
Este libro está escrito para los estudiantes. Pretende brindar a los est...
una fórmula. Las herramientas matemáticas importantes, como la suma de vectores y
la trigonometría, se incorporan en el te...
PREFACIO xvii
visión. También puntualizan aplicaciones y sugerencias para resolver problemas.
Un nuevo título, el de PRECA...
xviii PREFACIO
Resolución de problemas, con enfoques
nuevos y mejorados
Ser capaz de resolver problemas es una técnica val...
PREFACIO xix
N U E V O
▼
Los ejercicios dentro del texto, después de un ejemplo o de la deducción de una fórmu-
la, brinda...
xx PREFACIO
(material que rara vez se incluye en los cursos típicos) y/o aplicaciones interesantes. Esas
secciones no cont...
xxi
También estoy agradecido con aquellos otros físicos revisores de ediciones anteriores:
David A.Aaron (South Dakota Sta...
xxii PREFACIO
Debo un agradecimiento especial a los profesores Bob Davis y J. Erik Hendrickson por
mucha información valio...
xxiii
Complementos y medios audiovisuales disponibles
Complementos para el estudiante
Compañero de bolsillo del estudiante...
xxiv
Manual de soluciones del instructor
(Volumen I: 0-13-035237-3, Volumen II: 0-13-141545-X)
de Bob Davis (Taylor Univer...
lar parámetros importantes, tales como cuánto vale una pregunta y cuándo un estu-
diante puede tomar una prueba.
PH GradeA...
NOTAS A LOS ESTUDIANTES (Y PROFESORES)
ACERCA DEL FORMATO
1. Las secciones marcadas con asterisco (*) se consideran opcion...
ecuaciones importantes; b) notas que se refieren a las grandes leyes y principios
de la física, que están en letras mayúsc...
Agradecimientos
Agradecemos a todos los profesores que han sido leales usuarios y han impartido la materia de Física en lo...
FÍSICA 2PRINCIPIOS CON APLICACIONES
Esta fotografía de la Tierra, mejorada en computadora, se tomó
desde aproximadamente 36,000 km de distancia. Bajo las
nube...
2 CAPÍTULO 1 Introducción, medición, estimación
FIGURA 1-1 Aristóteles es la figura
central en lo alto de las escaleras (l...
SECCIÓN 1–2 La física y su relación con otros campos 3
En algunos casos, una nueva teoría es aceptada por los científicos ...
4 CAPÍTULO 1 Introducción, medición, estimación
de Leonardo da Vinci, el gran artista, investigador e ingeniero del Renaci...
SECCIÓN 1–4 Medición e incertidumbre; cifras significativas 5
ficativo pensar en la luz como si estuviese constituida por ...
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  1. 1. Conversiones de unidades (equivalentes) Longitud 1 milla náutica (EUA) 1 angstrom 1 año luz (al) Volumen 1.057 (qt EUA) ϭ 61.02 in3 1 galón (EUA) ϭ 4 qt (EUA) ϭ 231 in3 ϭ 3.785 L 1 cuarto (qt, EUA) ϭ 2 pintas (EUA) ϭ 946 mL 1 pinta (inglesa) ϭ 1.20 pintas (EUA) ϭ 568 mL Rapidez Ángulo 1 rev͞min (rpm) = 0.1047 rad͞s 1° = 0.01745 rad 1 radián (rad) = 57.30° = 57°18¿ 1 nudo = 1.151 mi͞h = 0.5144 m͞s 1 m͞s = 3.281 ft͞s = 3.600 km͞h = 2.237 mi͞h 1 ft͞s = 0.305 m͞s = 0.682 mi͞h 1 km͞h = 0.278 m͞s = 0.621 mi͞h 1 mi͞h = 1.467 ft͞s = 1.609 km͞h = 0.447 m͞s 1 m3 = 35.31 ft3 0.8327 galón (inglés) 1 litro (L) = 1000 mL = 1000 cm3 = 1.0 * 10–3 m3 = 1 parsec = 3.26 al = 3.09 * 1016 m = 9.461 * 1015 m (Å) = 10–10 m = 0.1 nm 1 fermi = 1 femtómetro (fm) = 10–15 m = 1.151 mi = 6076 ft = 1.852 km 1 km = 0.6214 mi 1 mi = 5280 ft = 1.609 km 1 m = 39.37 in = 3.281 ft 1 ft = 30.48 cm 1 cm = 0.3937 in 1 in = 2.54 cm Tiempo Masa 1 unidad de masa atómica [1 kg tiene un peso de 2.20 lb donde ] Fuerza Energía y trabajo Potencia Presión 1 Pa = 1 N͞m2 = 1.45 * 10–4 lb͞in2 1 lb͞in2 = 6.90 * 103 N͞m2 = 14.7 lb͞in2 = 760 torr 1 atm = 1.013 bar = 1.013 * 105 N͞m2 1 hp = 550 ftиlb͞s = 746 W 1 W = 1 J͞s = 0.738 ftиlb͞s = 3.42 Btu͞h 1 kWh = 3.60 * 106 J = 860 kcal 1 eV = 1.602 * 10–19 J 1 kcal = 4.186 * 103 J = 3.97 Btu 1 ftиlb = 1.36 J = 1.29 * 10–3 Btu = 3.24 * 10–4 kcal 1 J = 107 ergs = 0.738 ftиlb 1 N = 105 dina = 0.225 lb 1 lb = 4.45 N g = 9.80 m͞s2 . 1 kg = 0.0685 slug (u) = 1.6605 * 10–27 kg 1 año = 3.156 * 107 s 1 día = 8.64 * 104 s Unidades SI derivadas y sus abreviaturas En términos de Cantidad Unidad Abreviatura unidades base† Fuerza newton N Energía y trabajo joule J Potencia watt W Presión pascal Pa Frecuencia hertz Hz Carga eléctrica coulomb C Potencial eléctrico volt V Resistencia eléctrica ohm Capacitancia farad F Campo magnético tesla T Flujo magnético weber Wb Inductancia henry H † kg ϭ kilogramo (masa), m ϭ metro (longitud), s ϭ segundo (tiempo),A ϭ ampere (corriente eléctrica). kgиm2 ͞As2 иA2 B kgиm2 ͞AAиs2 B kg͞AAиs2 B A2 иs4 ͞Akgиm2 B kgиm2 ͞AA2 иs3 B⍀ kgиm2 ͞AAиs3 B Aиs s–1 kg͞Amиs2 B kgиm2 ͞s3 kgиm2 ͞s2 kgиm͞s2 Multiplicadores métricos (SI) Prefijo Abreviatura Valor yotta Y zeta Z exa E peta P tera T giga G mega M kilo k hecto h deka da deci d centi c mili m micro nano n pico p femto f atto a zepto z yocto y 10–24 10–21 10–18 10–15 10–12 10–9 10–6 m 10–3 10–2 10–1 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024
  2. 2. FÍSICA 1PRINCIPIOS CON APLICACIONES
  3. 3. FÍSICA 1PRINCIPIOS CON APLICACIONES SEXTA EDICIÓN DOUGLAS C. GIANCOLI REVISIÓN TÉCNICA: Agustín Vázquez Sánchez InstitutoTecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Alberto Lima Sánchez Profesor de Física Preparatoria-Universidad La Salle Tufik Zambrano Profesor de Física Gimnasio la Fontana Bogotá, Colombia José Vicente Contreras Julio Profesor de Física y Matemáticas Sección Bachillerato Gimnasio Británico Bogotá, Colombia Sebastián Torres Gutiérrez Profesor de Física Colegio Jordán de Sajonia Bogotá, Colombia Hernando Julio Garrido Insignares Profesor de Física InstitutoTécnico Central Bogotá, Colombia TRADUCCIÓN: Víctor Campos Olguín Traductor profesional
  4. 4. Editor-in-Chief, Science: John Challice Senior Acquisitions Editor: Erik Fahlgren Senior Development Editor: Karen Karlin Vice President of Production and Manufacturing: David Riccardi Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Senior Production Editor: Susan Fisher Production Editor: Chirag Thakkar Manufacturing Manager: Trudy Pisciotti Manufacturing Buyer: Alan Fischer Managing Editor, Audio and Visual Assets: Patricia Burns AV Project Managers: Adam Velthaus and Connie Long Assistant Managing Editor, Science Media: Nicole Bush Associate Editor: Christian Botting Media Editor: Michael J. Richards Director of Creative Services: Paul Belfanti Advertising and Promotions Manager: Elise Schneider Creative Director: Carole Anson Art Director: Maureen Eide Illustration: Artworks Marketing Manager: Mark Pfaltzgraff Editor-in-Chief of Development: Carol Trueheart Director, Image Research Center: Melinda Reo Photo Research: Mary Teresa Giancoli and Jerry Marshall Manager, Rights and Permissions: Cynthia Vincenti Copy Editor: Jocelyn Phillips Indexer: Steele/Katigbak Editorial Assistant: Andrew Sobel Composition: Emilcomp srl / Prepare Inc. Datos de catalogación bibliográfica GIANCOLI, C. DOUGLAS FÍSICA 1. Principios con aplicaciones. Sexta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009 ISBN: 978-970-26-1577-4 Área: Universitarios Formato: 21 × 27 cm Páginas: 408 Authorized translation from the English language edition, entitled Physics: principles with applications 6th ed., by Douglas C. Giancoli, published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2005. All rights reserved. ISBN 0-13-060620-0 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada Physics: principles with applications 6a. ed., de Douglas C. Giancoli, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2005. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Enrique Quintanar Duarte e-mail: enrique.quintanar@pearsoned.com Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño SEXTA EDICIÓN, 2009 D.R. © 2009 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco núm. 500 – 5° piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031 Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 10: 970-26-1577-1 ISBN 13: 978-970-26-1577-4 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 12 11 10 09
  5. 5. vii CONTENIDO LISTA DE APLICACIONES xiii PREFACIO xv COMPLEMENTOS Y MEDIOS AUDIOVISUALES DISPONIBLES xxiii NOTAS A LOS ESTUDIANTES (Y PROFESORES) ACERCA DEL FORMATO xxvii VOLUMEN 1 1 INTRODUCCIÓN, MEDICIÓN, ESTIMACIÓN 1 1-1 La naturaleza de la ciencia 1 1-2 La física y su relación con otros campos 3 1-3 Modelos, teorías y leyes 4 1-4 Medición e incertidumbre; cifras significativas 5 1-5 Unidades, estándares y el sistema SI 8 1-6 Conversión de unidades 10 1-7 Orden de magnitud: estimación rápida 12 *1-8 Dimensiones y análisis dimensional 14 RESUMEN 15 PREGUNTAS 16 PROBLEMAS 16 PROBLEMAS GENERALES 17 2 DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO: CINEMÁTICA EN UNA DIMENSIÓN 19 2-1 Marcos de referencia y desplazamiento 20 2-2 Velocidad promedio 21 2-3 Velocidad instantánea 23 2-4 Aceleración 23 2-5 Movimiento con aceleración constante 26 2-6 Resolución de problemas 28 2-7 Caída de objetos 31 *2-8 Análisis gráfico del movimiento lineal 36 RESUMEN 38 PREGUNTAS 38 PROBLEMAS 39 PROBLEMAS GENERALES 42 3 CINEMÁTICA EN DOS DIMENSIONES; VECTORES 45 3-1 Vectores y escalares 45 3-2 Suma de vectores: métodos gráficos 46 3-3 Resta de vectores y multiplicación de un vector por un escalar 48 3-4 Suma de vectores por medio de componentes 49 3-5 Movimiento de proyectiles 54 3-6 Resolución de problemas que implican el movimiento de proyectiles 56 *3-7 El movimiento de proyectiles es parabólico 62 *3-8 Velocidad relativa 62 RESUMEN 64 PREGUNTAS 65 PROBLEMAS 65 PROBLEMAS GENERALES 69 4 DINÁMICA: LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON 72 4-1 Fuerza 72 4-2 Primera ley del movimiento de Newton 73 4-3 Masa 75 4-4 Segunda ley del movimiento de Newton 75 4-5 Tercera ley del movimiento de Newton 77 4-6 Peso: la fuerza de gravedad y la fuerza normal 80 4-7 Resolución de problemas con las leyes de Newton: diagramas de cuerpo libre 84 4-8 Problemas que implican fricción y planos inclinados 90 4-9 Resolución de problemas: Un enfoque general 96 RESUMEN 96 PREGUNTAS 97 PROBLEMAS 98 PROBLEMAS GENERALES 103 5 MOVIMIENTO CIRCULAR Y GRAVITACIÓN 106 5-1 Cinemática del movimiento circular uniforme 106 5-2 Dinámica del movimiento circular uniforme 109 5-3 Curvas en las autopistas, peraltadas y sin peralte 112 *5-4 Movimiento circular no uniforme 115 *5-5 Centrifugación 116 5-6 Ley de la gravitación universal de Newton 117 5-7 Gravedad cerca de la superficie de la Tierra; aplicaciones geofísicas 121 5-8 Los satélites y la “ingravidez” 122 *5-9 Leyes de Kepler y síntesis de Newton 125 5-10 Tipos de fuerzas en la naturaleza 128 RESUMEN 128 PREGUNTAS 129 PROBLEMAS 130 PROBLEMAS GENERALES 133
  6. 6. 6 TRABAJO Y ENERGÍA 136 6-1 Trabajo realizado por una fuerza constante 137 *6-2 Trabajo realizado por una fuerza variable 141 6-3 Energía cinética y el principio trabajo-energía 141 6-4 Energía potencial 144 6-5 Fuerzas conservativas y no conservativas 148 6-6 Energía mecánica y su conservación 149 6-7 Resolución de problemas a partir de la conservación de la energía mecánica 150 6-8 Otras formas de energía; transformaciones de energía y la ley de conservación de la energía 155 6-9 Conservación de energía con fuerzas disipativas: Resolución de problemas 156 6-10 Potencia 158 RESUMEN 160 PREGUNTAS 160 PROBLEMAS 162 PROBLEMAS GENERALES 165 7 CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL 167 7-1 Cantidad de movimiento y su relación con la fuerza 168 7-2 Conservación de la cantidad de movimiento 170 7-3 Colisiones e impulso 173 7-4 Conservación de la energía y de la cantidad de movimiento en colisiones 175 7-5 Colisiones elásticas en una dimensión 176 7-6 Colisiones inelásticas 178 *7-7 Colisiones en dos o tres dimensiones 179 7-8 Centro de masa (CM) 182 *7-9 CM del cuerpo humano 184 *7-10 Centro de masa y movimiento de traslación 185 RESUMEN 187 PREGUNTAS 187 PROBLEMAS 188 PROBLEMAS GENERALES 192 8 MOVIMIENTO DE ROTACIÓN 194 8-1 Cantidades angulares 195 8-2 Aceleración angular constante 201 8-3 Movimiento de rodamiento (sin deslizamiento) 202 8-4 Torca 203 8-5 Dinámica de rotación; torca e inercia de rotación 206 8-6 Resolución de problemas de dinámica de rotación 208 8-7 Energía cinética de rotación 210 8-8 Cantidad de movimiento angular y su conservación 213 *8-9 Naturaleza vectorial de las cantidades angulares 215 RESUMEN 217 PREGUNTAS 217 PROBLEMAS 219 PROBLEMAS GENERALES 223 9 EQUILIBRIO ESTÁTICO; ELASTICIDAD Y FRACTURA 226 9-1 Condiciones para el equilibrio 227 9-2 Resolución de problemas estáticos 229 *9-3 Aplicaciones a músculos y articulaciones 234 9-4 Estabilidad y balance 236 *9-5 Elasticidad; tensión y deformación 237 *9-6 Fractura 241 *9-7 Cubrir un espacio: arcos y domos 243 RESUMEN 246 PREGUNTAS 246 PROBLEMAS 247 PROBLEMAS GENERALES 252 10 FLUIDOS 255 10-1 Fases de la materia 255 10-2 Densidad y gravedad específica 256 10-3 Presión en fluidos 257 10-4 Presión atmosférica y presión manométrica 259 10-5 Principio de Pascal 260 10-6 Medición de presión; manómetros y el barómetro 260 10-7 Flotabilidad y principio de Arquímedes 263 10-8 Fluidos en movimiento; tasa de flujo y ecuación de continuidad 268 10-9 Ecuación de Bernoulli 270 10-10 Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de béisbol y la isquemia 272 *10-11 Viscosidad 274 *10-12 Flujo en tubos: ecuación de Poiseuille, flujo sanguíneo 275 *10-13 Tensión superficial y capilaridad 276 *10-14 Bombas y el corazón 278 RESUMEN 279 PREGUNTAS 280 PROBLEMAS 281 PROBLEMAS GENERALES 284 viii CONTENIDO
  7. 7. 11 VIBRACIONES Y ONDAS 286 11-1 Movimiento armónico simple 287 11-2 La energía en el oscilador armónico simple 289 11-3 El periodo y la naturaleza sinusoidal del MAS 292 11-4 El péndulo simple 296 11-5 Movimiento armónico amortiguado 298 11-6 Vibraciones forzadas; resonancia 299 11-7 Movimiento ondulatorio 300 11-8 Tipos de ondas: transversales y longitudinales 303 11-9 Energía transportada por las ondas 305 *11-10 Intensidad relacionada con la amplitud y la frecuencia 306 11-11 Reflexión y transmisión de ondas 307 11-12 Interferencia; principio de superposición 308 11-13 Ondas estacionarias; resonancia 310 *11-14 Refracción 312 *11-15 Difracción 313 *11-16 Representación matemática de una onda viajera 314 RESUMEN 315 PREGUNTAS 316 PROBLEMAS 317 PROBLEMAS GENERALES 320 VOLUMEN 2 12 SONIDO 322 12-1 Características del sonido 322 12-2 Intensidad del sonido: decibeles 325 *12-3 El oído y su respuesta; intensidad 328 12-4 Fuentes de sonido: cuerdas que vibran y columnas de aire 329 *12-5 Calidad del sonido y ruido; superposición 334 12-6 Interferencia de ondas sonoras; batimientos 335 12-7 Efecto Doppler 338 *12-8 Ondas de choque y estampido supersónico 342 *12-9 Aplicaciones: sonar, ultrasonido y formación de imágenes en medicina 343 RESUMEN 345 PREGUNTAS 346 PROBLEMAS 347 PROBLEMAS GENERALES 349 13 TEMPERATURA Y TEORÍA CINÉTICA 352 13-1 Teoría atómica de la materia 352 13-2 Temperatura y termómetros 354 *13-3 El equilibrio térmico y la ley cero de la termodinámica 357 13-4 Expansión térmica 357 *13-5 Tensiones térmicas 361 13-6 Las leyes de los gases y la temperatura absoluta 361 13-7 La ley del gas ideal 363 13-8 Resolución de problemas con la ley del gas ideal 364 13-9 La ley del gas ideal en términos de moléculas: número de Avogadro 366 13-10 La teoría cinética y la interpretación molecular de la temperatura 367 *13-11 Distribución de la rapidez molecular 371 *13-12 Gases reales y cambios de fase 371 *13-13 Presión de vapor y humedad 373 *13-14 Difusión 376 RESUMEN 378 PREGUNTAS 379 PROBLEMAS 380 PROBLEMAS GENERALES 382 14 CALOR 384 14-1 El calor como transferencia de energía 385 14-2 Energía interna 386 14-3 Calor específico 387 14-4 Calorimetría. Resolución de problemas 388 14-5 Calor latente 391 14-6 Transferencia de calor: conducción 395 14-7 Transferencia de calor: convección 397 14-8 Transferencia de calor: radiación 399 RESUMEN 403 PREGUNTAS 403 PROBLEMAS 404 PROBLEMAS GENERALES 406 15 LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA 408 15-1 La primera ley de la termodinámica 409 15-2 Procesos termodinámicos y la primera ley 410 *15-3 Metabolismo humano y la primera ley 414 15-4 Segunda ley de la termodinámica. Introducción 415 15-5 Máquinas térmicas 416 15-6 Refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas térmicas 421 15-7 Entropía y segunda ley de la termodinámica 424 15-8 Del orden al desorden 426 15-9 Agotamiento de energía; muerte térmica 426 *15-10 Evolución y crecimiento; “flecha del tiempo” 427 CONTENIDO ix
  8. 8. *15-11 Interpretación estadística de la entropía y de la segunda ley 428 *15-12 Contaminación térmica y calentamiento global 430 RESUMEN 432 PREGUNTAS 433 PROBLEMAS 433 PROBLEMAS GENERALES 436 16 CARGA ELÉCTRICA Y CAMPO ELÉCTRICO 439 16-1 Electricidad estática; carga eléctrica y su conservación 440 16-2 Carga eléctrica en el átomo 441 16-3 Aisladores y conductores 441 16-4 Carga inducida; el electroscopio 442 16-5 Ley de Coulomb 444 16-6 Resolución de problemas en los que participan la ley de Coulomb y vectores 447 16-7 El campo eléctrico 450 16-8 Líneas de campo 454 16-9 Campos eléctricos y conductores 456 *16-10 Ley de Gauss 457 *16-11 Fuerzas eléctricas en biología molecular: estructura y replicación del ADN 460 *16-12 Las máquinas de fotocopiado y las impresoras de computadora usan electrostática 462 RESUMEN 463 PREGUNTAS 464 PROBLEMAS 465 PROBLEMAS GENERALES 468 17 POTENCIAL ELÉCTRICO 470 17-1 Energía potencial eléctrica y diferencia de potencial 470 17-2 Relación entre potencial eléctrico y campo eléctrico 474 17-3 Líneas equipotenciales 474 17-4 El electronvolt, una unidad de energía 476 17-5 Potencial eléctrico debido a cargas puntuales 476 *17-6 Potencial debido a dipolo eléctrico; momento de dipolo 479 17-7 Capacitancia 480 17-8 Dieléctricos 482 17-9 Almacenamiento de energía eléctrica 484 *17-10 Tubo de rayos catódicos: monitores de televisión, computadoras y osciloscopio 485 *17-11 El electrocardiograma (ECG) 487 RESUMEN 488 PREGUNTAS 488 PROBLEMAS 489 PROBLEMAS GENERALES 491 18 CORRIENTES ELÉCTRICAS 493 18-1 La batería eléctrica 494 18-2 Corriente eléctrica 496 18-3 Ley de Ohm: resistencia y resistores 498 18-4 Resistividad 500 18-5 Potencia eléctrica 502 18-6 Potencia en circuitos caseros 505 18-7 Corriente alterna 506 *18-8 Visión microscópica de la corriente eléctrica 509 *18-9 Superconductividad 510 *18-10 Conducción eléctrica en el sistema nervioso humano 510 RESUMEN 514 PREGUNTAS 514 PROBLEMAS 515 PROBLEMAS GENERALES 518 19 CIRCUITOS CD 520 19-1 Fem y voltaje en terminales 520 19-2 Resistores en serie y en paralelo 522 19-3 Reglas de Kirchhoff 528 *19-4 Fem en serie y en paralelo; cómo cargar una batería 532 19-5 Circuitos que contienen capacitores en serie y en paralelo 533 19-6 Circuitos RC. Resistor y capacitor en serie 535 19-7 Riesgos eléctricos 538 *19-8 Amperímetros y voltímetros 541 RESUMEN 545 PREGUNTAS 545 PROBLEMAS 547 PROBLEMAS GENERALES 551 20 MAGNETISMO 554 20-1 Imanes y campos magnéticos 554 20-2 Las corrientes eléctricas producen campos magnéticos 557 20-3 Fuerza sobre una corriente eléctrica en un campo magnético; definición de 558 20-4 Fuerza sobre una carga eléctrica que se mueve en un campo magnético 560 20-5 Campo magnético debido a un largo alambre recto 563 20-6 Fuerza entre dos alambres paralelos 565 20-7 Solenoides y electroimanes 567 *20-8 Ley de Ampère 568 B B x CONTENIDO
  9. 9. *20-9 Torca sobre un lazo de corriente; momento magnético 570 *20-10 Aplicaciones: galvanómetros, motores, bocinas 571 *20-11 Espectrómetro de masas 572 20-12 Ferromagnetismo: dominios e histéresis 573 RESUMEN 575 PREGUNTAS 576 PROBLEMAS 577 PROBLEMAS GENERALES 581 21 INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LEY DE FARADAY 584 21-1 Fem inducida 584 21-2 Ley de inducción de Faraday; ley de Lenz 586 21-3 Fem inducida en un conductor en movimiento 590 21-4 El flujo magnético variable produce un campo eléctrico 591 21-5 Generadores eléctricos 592 *21-6 Fuerza contraelectromotriz y contra torca; corrientes parásitas 593 21-7 Transformadores y transmisión de potencia 595 21-8 Aplicaciones de la inducción: sistemas de sonido, memoria de computadora, sismógrafo, GFCI 598 *21-9 Inductancia 600 *21-10 Energía almacenada en un campo magnético 602 *21-11 Circuito LR 602 *21-12 Circuitos CA y reactancia 603 *21-13 Circuito CA LRC en serie 606 *21-14 Resonancia en circuitos CA 608 RESUMEN 608 PREGUNTAS 609 PROBLEMAS 610 PROBLEMAS GENERALES 613 22 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 615 22-1 Los campos eléctricos variables producen campos magnéticos; ecuaciones de Maxwell 616 22-2 Producción de ondas electromagnéticas 617 22-3 La luz como una onda electromagnética y el espectro electromagnético 619 22-4 Medición de la rapidez de la luz 622 *22-5 Energía en ondas EM 623 *22-6 Transferencia de cantidad de movimiento y presión de radiación 625 *22-7 Radio y televisión, comunicación inalámbrica 626 RESUMEN 629 PREGUNTAS 629 PROBLEMAS 629 PROBLEMAS GENERALES 631 23 LUZ: ÓPTICA GEOMÉTRICA 632 23-1 El modelo de rayos de la luz 632 23-2 Reflexión; formación de una imagen por medio de un espejo plano 633 23-3 Formación de imágenes por medio de espejos esféricos 635 23-4 Índice de refracción 642 23-5 Refracción: ley de Snell 642 23-6 Reflexión interna total; fibras ópticas 645 23-7 Lentes delgadas; trazado con rayos 647 23-8 Ecuación de lentes delgadas; amplificación 650 *23-9 Combinaciones de lentes 654 *23-10 La ecuación del fabricante de lentes 656 RESUMEN 656 PREGUNTAS 657 PROBLEMAS 658 PROBLEMAS GENERALES 662 24 LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZ 664 24-1 Ondas frente a partículas; el principio de Huygens y la difracción 665 *24-2 El principio de Huygens y la ley de refracción 666 24-3 Interferencia. Experimento de doble rendija de Young 668 24-4 Espectro visible y dispersión 671 24-5 Difracción por medio de una sola rendija o disco 673 24-6 Rejilla de difracción 676 *24-7 El espectrómetro y espectroscopia 678 24-8 Interferencia por medio de películas delgadas 679 *24-9 Interferómetro Michelson 684 24-10 Polarización 684 *24-11 Pantallas de cristal líquido (LCD) 688 *24-12 Dispersión de luz por la atmósfera 690 RESUMEN 690 PREGUNTAS 691 PROBLEMAS 692 PROBLEMAS GENERALES 694 25 INSTRUMENTOS ÓPTICOS 696 25-1 Cámaras, de película y digitales 697 25-2 El ojo humano; lentes correctivos 701 25-3 Lente de aumento 704 CONTENIDO xi
  10. 10. 25-4 Telescopios 706 *25-5 Microscopio compuesto 708 *25-6 Aberraciones de lentes y espejos 710 25-7 Límites de resolución; aberturas circulares 711 25-8 Resolución de telescopios y microscopios; el límite l 714 25-9 Resolución del ojo humano y amplificación útil 715 *25-10 Microscopios de especialidad y contraste 716 *25-11 Rayos X y difracción de rayos X 717 *25-12 Formación de imágenes con rayos X y tomografía computarizada (exploración CT) 718 RESUMEN 721 PREGUNTAS 722 PROBLEMAS 722 PROBLEMAS GENERALES 725 26 LA TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD 726 26-1 Relatividad galileana-newtoniana 727 26-2 Postulados de la teoría especial de la relatividad 730 26-3 Simultaneidad 731 26-4 La dilatación del tiempo y la paradoja de los gemelos 734 26-5 Contracción de la longitud 740 *26-6 Espacio-tiempo cuatridimensional 742 26-7 Cantidad de movimiento y masa relativistas 742 26-8 La rapidez última 743 26-9 E ϭ mc2 ; masa y energía 744 26-10 Suma relativista de velocidades 748 26-11 El impacto de la relatividad especial 748 RESUMEN 749 PREGUNTAS 750 PROBLEMAS 751 PROBLEMAS GENERALES 752 APÉNDICES A REPASO MATEMÁTICO A-1 A-1 Relaciones, proporcionalidad y ecuaciones A-1 A-2 Exponentes A-2 A-3 Potencias de 10 o notación exponencial A-3 A-4 Álgebra A-3 A-5 La expansión binomial A-6 A-6 Geometría plana A-7 A-7 Funciones trigonométricas e identidades A-8 A-8 Logaritmos A-10 B ISÓTOPOS SELECCIONADOS A-12 C MARCOS DE REFERENCIA EN ROTACIÓN; FUERZAS INERCIALES; EFECTO CORIOLIS A-16 D CALORES ESPECÍFICOS MOLARES PARA GASES Y LA EQUIPARTICIÓN DE LA ENERGÍA A-20 E TRANSFORMACIONES GALILEANAS Y DE LORENTZ A-23 RESPUESTAS A PROBLEMAS CON NÚMERO IMPAR A-27 ÍNDICE A-40 CRÉDITOS DE FOTOGRAFÍAS A-51 xii CONTENIDO
  11. 11. APLICACIONES xiii APLICACIONES A LA BIOLOGÍA Y LA MEDICINA Capítulo 1 Estimación del número de latidos en una vida 13 Capítulo 4 Cómo caminamos 79 Capítulo 5 Centrifugado 116, 201 Capítulo 7 No se rompa una pierna 174 Centro de masa de partes del cuerpo 184 Capítulo 8 Torca del bíceps 205, 221 Capítulo 9 Enderezamiento de dientes 227 Fuerzas en músculos y articulaciones 234 Inserción de músculo y palanca de brazo 234 Columna vertebral,dolor de espalda 235 Equilibrio del cuerpo 236 Capítulo 10 Suspensión del cuerpo en el agua 255 Circulación sanguínea 269 Falta de sangre en el cerebro: isquemia 273 Flujo sanguíneo y enfermedad cardiaca 275 Insecto sobre la superficie del agua 276 El corazón como bomba 278 Presión sanguínea 278 Capítulo 11 Telaraña 293 Ecolocalización en ballenas y murciélagos 304 Capítulo 12 Amplio rango de la audición humana 325, 329 El oído humano y su sensibilidad 328 Medición Doppler del flujo sanguíneo y otros usos médicos 341 Formación de imágenes médicas por medio de ultrasonido 344 Capítulo 13 La vida bajo el hielo 360 Moléculas en una respiración 367 La evaporación enfría 374, 395 Difusión en organismos vivos 378 Capítulo 14 Quema de calorías 386 Convección por medio de la sangre 399 Pérdida de calor radiado de los humanos 400 Termografía médica 402 Capítulo 15 Energía en el cuerpo humano 414 Evolución biológica y desarrollo 427 Capítulo 16 Células: fuerzas eléctricas más teoría cinética 460 Estructura y replicación del ADN 460 Capítulo 17 Dipolos en biología molecular 480 Quemadura o choque por capacitor 485 Defibrilador cardiaco 485 Electrocardiograma (ECG) 487 Capítulo 18 Conducción eléctrica en el sistema nervioso humano 510 Capítulo 19 Marcapasos cardiaco 538 Choque eléctrico, conducción a tierra y seguridad 539 Capítulo 21 Medición em del flujo sanguíneo 590 Interruptores de circuito para falla a tierra 599 Marcapasos 599 Capítulo 22 Pinzas ópticas 626 Capítulo 23 Endoscopios médicos (fibras ópticas) 646 Capítulo 25 Ojo humano 701 Lentes correctivos 702 Lentes de contacto 703 Cómo ver bajo el agua 704 Microscopios de luz 708 Resolución del ojo humano 713 Difracción de rayos X en biología 718 Imágenes de rayos X 718 Exploración TAC 719 APLICACIONES A OTROS CAMPOS Y A LA VIDA COTIDIANA Capítulo 1 Los picos de 8000 m 10 Estimación del volumen de un lago 12 Estimación de la altura por medio de triangulación 13 Capítulo 2 Diseño de pistas de aterrizaje de aeropuertos 27 Seguridad automovilística: bolsas de aire 29 Distancias de frenado 30 Tránsito rápido 42 Capítulo 3 Cómo patear un balón de fútbol 58, 61 Deportes de pelotas 66, 67, 70, 71 Capítulo 4 Aceleración de un cohete 78 ¿Qué fuerza acelera a un automóvil? 79 Elevador y contrapeso 88 Ventaja mecánica de la polea 89 Ascensión de montañas 102, 105 Capítulo 5 Derrapar en una curva 113 Frenos antibloqueo 113 Curvas peraltadas 114 Aplicaciones geofísicas 122 Satélites terrestres artificiales 122 Satélites geosincrónicos 123 Ingravidez 124 Capítulo 6 Distancia de frenado de un automóvil 144 Montaña rusa 151, 157 Salto con garrocha 152 Pistola de dardos 153 Potencia de automóvil 159 Palanca 162 Capítulo 7 Servicio de tenis 169, 173 Retroceso de un arma 172 Cohetes 172, 186 Salto alto 185 Capítulo 8 Disco duro y rapidez de bit 200 Patinador, clavadista en rotación 214 Colapso de estrella de neutrones 215 Capítulo 9 Palanca 229 Puente levadizo 231 Concreto reforzado y pretensado 242 Colapso trágico 242 Arcos y domos 243 a v2 Capítulo 10 Frenos de automóvil, elevador hidráulico 260 Hidrómetro 266 Alas de avión, sustentación 272 Navegación contra el viento 273 Una curva de béisbol 273 Tensión superficial, capilaridad 277 Jabones y detergentes 277 Bombas 278 Capítulo 11 Reloj de péndulo 297 Muelles, amortiguadores de edificios 298 Colapso de puente resonante 299 Terremotos 304, 305, 306, 313 Capítulo 12 Distancia desde un relámpago 323 Cámara de autofoco 324 Instrumentos musicales, de cuerda y de viento 329 Ruido del viento 334 Afinación con pulsos 337 Efecto Doppler,predicción del clima 341 Corrimiento al rojo en cosmología 342 Estampido supersónico 342 Sonar 343
  12. 12. Capítulo 13 Juntas de expansión 354 Apertura de una tapa apretada 359 Desbordamiento del tanque de gasolina 359 Peralte de autopista 361 Masa (y peso) del aire en una habitación 365 Presión en una llanta caliente 366 Reacciones químicas, dependencia de la temperatura 371 Superfluidez 373 Humedad, clima 375, 376 Termostato 379 Capítulo 14 Pérdida de calor a través de las ventanas 396 Ventanas térmicas 397 Valores R de aisladores térmicos 397 Cómo aísla la ropa 397, 399 Calentamiento convectivo de una casa 398 Convección en una pendiente 398 Radiación del Sol 401, 402 Astronomía: tamaño de una estrella 402 Capítulo 15 Motor de vapor 416 Motor de combustión interna 417 Refrigerador 421 Acondicionador de aire 422 Bomba térmica 423 Clasificación SEER 423 Contaminación térmica, calentamiento global 430 Recursos energéticos 430 Capítulo 16 Protección eléctrica, seguridad 457 Máquinas fotocopiadoras 462 Impresoras láser e impresoras de inyección de tinta 463 Capítulo 17 Capacitores en flashes de las cámaras, respaldos, protectores ante excesos de carga, memoria, teclados 480, 481, 482, 484 Súper alta capacitancia 482 TRC: monitores de televisión y computadoras 486 Osciloscopio 486 Fotocelda 492 Capítulo 18 Alambres de bocinas 501 Termómetro de resistencia 502 Elemento de calentamiento, filamento de bombilla eléctrica 503 Por qué las bombillas se queman cuando se encienden por primera vez 503 El relámpago 504 Circuitos domésticos 505 Fusibles y disyuntores 505 Cortos y seguridad 506 Extensiones 506 Secadores de cabello 508 Superconductores 510 Capítulo 19 Cómo cargar una batería de automóvil 532 Paso de corriente a un automóvil 532 Luces intermitentes,limpiaparabrisas 537 Riesgos eléctricos 538 Alambres de tierra y clavijas 540 Corriente de fuga 541 Líneas de energía eléctrica caídas 541 Medidores digitales y analógicos 541, 544 Conexión de medidores, correcciones 543-544 Condensador de micrófono 546 Capítulo 20 Uso de brújula, declinación magnética 556 Aurora boreal 563 Electroimanes y solenoides 567 Interrupción por medio de solenoides 567 Interruptores magnéticos de circuitos 567 Motores 571, 572 Altavoces 572 Espectrómetro de masas 572 Bombeo electromagnético 576 Relé 577 Capítulo 21 Estufa de inducción 588 Alternadores de automóvil 592 Corriente de encendido de motor 593 Sobrecarga de motor 594 Amortiguado de corrientes parásitas 594 Detector de metales de los aeropuertos 595 Transformadores de radio 596 Transmisión de energía eléctrica 597 Micrófono magnético 598 Lectura/escritura en cinta y discos 598 Codificación digital 598 Lectora de tarjeta de crédito 599 Sismógrafo 599 GFCI (interruptor del circuito para falla de conexión a tierra) 599 Capacitores como filtros 605 Resonancia eléctrica 608 Capítulo 22 Transmisión AM y FM 627 Sintonización de una estación 627 Antenas 628 Teléfonos celulares, control remoto, televisión por cable y por satélite 628 Capítulo 23 Qué tamaño de espejo necesita 635 Dónde se puede ver usted mismo en un espejo cóncavo 639 Usos de espejos curvos 635, 640, 641 Ilusiones ópticas 643 Profundidad aparente del agua 644 Fibras ópticas en telecomunicaciones 646 Dónde se puede ver una imagen formada por una lente 649 Capítulo 24 Espejismos en la carretera 667 Arcos iris y diamantes 672 Análisis espectroscópico 679 Pompas de jabón y películas de aceite 679 Recubrimiento de lentes 682 Polaroids 684 Cómo ver hacia el río 687 Pantallas de cristal líquido (LCD) 688 Por qué el cielo es azul, los atardeceres rojos y las nubes blancas 690 Capítulo 25 Cámaras digitales, ccd, artefactos 697 Ajustes de cámara 698 Telescopios 706 Microscopios 708 Telescopio Espacial Hubble 713 Resolución de telescopio 714 Microscopios especiales 716 Usos de la difracción de rayos X 718 Capítulo 26 Sistema de posicionamiento global (GPS) 739 xiv APLICACIONES RECUADROS DE RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS Capítulo 2 Resolución de problemas 28 Capítulo 3 Resolución de problemas: suma de vectores 53 Resolución de problemas: movimiento de proyectiles 56 Capítulo 4 Resolución de problemas: leyes de Newton; diagramas de cuerpo libre 85 Resolución de problemas: en general 96 Capítulo 5 Resolución de problemas: movimiento circular uniforme 112 Capítulo 6 Resolución de problemas: trabajo 139 Resolución de problemas: conservación de la energía 157 Capítulo 7 Resolución de problemas: conservación de la cantidad de movimiento y colisiones 181 Capítulo 8 Resolución de problemas: movimiento de rotación 209 Capítulo 9 Resolución de problemas: estática 230 Capítulo 14 Resolución de problemas:calorimetría 394 Capítulo 15 Resolución de problemas: termodinámica 432 Capítulo 16 Resolución de problemas: electrostática; fuerzas eléctricas y campos eléctricos 454 Capítulo 19 Resolución de problemas: reglas de Kirchhoff 530 Capítulo 20 Resolución de problemas: campos magnéticos 562 Capítulo 21 Resolución de problemas:ley de Lenz 588 Capítulo 23 Resolución de problemas: espejos esféricos 641 Resolución de problemas: lentes delgadas 651 Capítulo 24 Resolución de problemas: interferencia 683
  13. 13. xv Ver el mundo a través de ojos que saben física Este libro está escrito para los estudiantes. Pretende brindar a los estudiantes una com- prensión profunda de los conceptos básicos de la física en todos sus aspectos, desde la mecánica hasta la física moderna. Su meta es explicar la física de una forma sencilla e interesante que sea accesible y clara, y enseñar a los estudiantes a anticipar sus nece- sidades y dificultades sin una simplificación excesiva. Un segundo objetivo es mostrar a los estudiantes cuán útil es la física en sus propias vidas y en sus profesiones futuras por medio de aplicaciones interesantes. Además, se ha puesto especial énfasis en ex- plicar técnicas y enfoques para resolver problemas. Este libro de texto está especialmente diseñado para que los estudiantes tomen un curso de un año de introducción a la física, que se base en álgebra y trigonometría, pe- ro no en cálculo. Muchos de estos estudiantes están especializándose en biología o es- tán inscritos en un curso propedéutico para medicina, y otros tal vez estudien arquitectura, tecnología, ciencias de la Tierra o ciencias ambientales. Muchas aplicacio- nes en esos campos tienen la intención de responder la pregunta común de los estu- diantes: “¿Por qué debo estudiar física?” La respuesta es que la física resulta fundamental para una comprensión plena de esas especialidades, y aquí ellos verán de qué forma. La física lo es todo en el mundo cotidiano. La meta de este libro es ayudar a los estudiantes “a ver el mundo a través de ojos que saben física”. Algunas de las nuevas características en esta sexta edición incluyen: 1. Ejercicios dentro del texto para que los estudiantes verifiquen su comprensión; 2. nuevos párrafos para hacer el planteamiento de los ejemplos trabajados; 3. nuevos ejemplos que siguen paso a paso cada uno de los Recuadros de Resolución de Problemas; y 4. nuevas aplica- ciones como las detalladas descripciones basadas en la física de las pantallas de cristal lí- quido (LCD), las cámaras digitales (con CCD) y la extensa cobertura de los dispositivos eléctricos y su manejo seguro. Éstos y otros nuevos aspectos se resaltan más adelante. La física y cómo entenderla He evitado el árido, dogmático y común enfoque de tratar primero los temas de ma- nera formal y abstracta, y sólo después relacionar el material con la propia experien- cia de los estudiantes. Mi enfoque parte del reconocimiento de que la física es una descripción de la realidad, de modo que cada tema se inicia con observaciones y expe- riencias concretas con las que los estudiantes están familiarizados. Luego se procede a hacer generalizaciones y a exponer el tema de manera más formal. Esto no sólo ha- ce que el material sea más interesante y fácil de comprender, también está más cerca de la forma en que en realidad se practica la física. Se ha hecho un gran esfuerzo para no dirigir demasiado a los estudiantes a leer los primeros capítulos. Primero se tiene que aprender lo básico; más adelante se explica- rán muchos otros aspectos, cuando los estudiantes estén más preparados. Si no se abru- ma a los estudiantes con demasiados detalles, en especial al principio, es más probable que consideren que la física es interesante, divertida y útil, y aquellos que tenían mie- do de la materia olvidarán su temor. Las grandes leyes de la física están enmarcadas en una pantalla y van acompaña- das de una nota marginal en letras mayúsculas encerrada en un rectángulo. Todas las ecuaciones importantes aparecen junto a un número para distinguirlas de las menos úti- les. Para ayudar a dejar en claro cuáles ecuaciones son generales y cuáles no lo son, las limitaciones de las ecuaciones importantes se presentan en corchetes junto a la ecua- ción, como en [aceleración constante] Las matemáticas en ocasiones constituyen un obstáculo para la comprensión del estudiante. Por eso el libro describe todos los pasos que se siguen en la deducción de x = x0 + v0 t + 1 2 at2 . PREFACIO N U E V O ▼
  14. 14. una fórmula. Las herramientas matemáticas importantes, como la suma de vectores y la trigonometría, se incorporan en el texto donde se requieren por primera vez, así que se presentan en un contexto particular y no en un aterrador capítulo de introducción. Los apéndices contienen un repaso de álgebra y geometría (más unos cuantos temas avanzados: marcos de referencia en rotación, fuerzas inerciales, efecto Coriolis; capa- cidades caloríficas de los gases y equipartición de energía; transformaciones de Lo- rentz). Las unidades del Sistema Internacional (SI) se emplean de principio a fin. Otras unidades métricas y británicas se definen con propósitos informativos. El capítulo 1 no es desechable. Es fundamental para la física darse cuenta que to- da medición tiene un grado de incertidumbre, y que las cifras significativas lo reflejan. Convertir unidades y ser capaz de hacer estimaciones rápidas también es básico. Los aspectos culturales al comienzo del capítulo 1 amplían la comprensión del mundo de una persona, mas no tienen que ser cubiertos en clase. Las múltiples aplicaciones en ocasiones sólo sirven como ejemplos de principios físicos. Otras se tratan en profundidad. Se han seleccionado cuidadosamente para in- tegrarlas en el texto de modo que no interfieran con el desarrollo de la física, sino más bien que la iluminen. Para facilitar la detección de las aplicaciones, aparece una nota de Física Aplicada al margen. Las fotografías que abren cada capítulo, algunas de las cuales tienen vectores so- brepuestos, se han elegido de modo que el texto que las acompaña sea una especie de resumen del capítulo. Algunos de los nuevos aspectos de física y pedagogía en esta sexta edición son: Mayor claridad: Ningún tema, ningún párrafo en este libro se ha pasado por al- to en la búsqueda por mejorar la claridad de la presentación. Se han realizado muchos cambios y aclaraciones, algunos de ellos pequeños y otros no tanto. Se eli- minaron frases y oraciones que pudieran detener el argumento principal: se trata de exponer lo esencial al principio y explicar los detalles después. Notación vectorial, flechas: Los símbolos para cantidades vectoriales en el tex- to y las figuras ahora tienen una pequeña flecha sobre ellos, de modo que son si- milares a lo que el profesor escribe a mano durante su clase. Las letras todavía son las tradicionales negritas; así por ejemplo, se utiliza para velocidad y para fuerza. Ejercicios dentro del texto, para que los estudiantes comprueben su comprensión. Las respuestas se proporcionan al final del capítulo. Ejemplos paso a paso, después de un Recuadro de Resolución de Problemas, co- mo se explica en la página xvii. Los ejemplos conceptuales no son una característica nueva,pero hay algunos ejem- plos que sí lo son. Ejemplos modificados: Más pasos matemáticos se explican detalladamente y se agregan muchos ejemplos nuevos (véase la página xvii). Diseño de la página: Derivaciones completas. Se ha puesto mucha atención, in- cluso más que en la edición anterior, en cómo está formateada cada página. Se ha realizado un gran esfuerzo para mantener las deducciones y argumentos impor- tantes en páginas enfrentadas. Entonces los estudiantes no tendrán que voltear la página hacia atrás o hacia delante.A lo largo del libro los lectores verán ante ellos, en dos páginas enfrentadas, una importante rebanada de física. Subtítulos: Muchas de las secciones dentro de un capítulo ahora están divididas en apartados, lo que separa los temas en“trozos” más manejables. Ello permite ha- cer “pausas” para que los estudiantes descansen o recuperen el aliento. Notas marginales: Precaución. Las notas marginales, en azul, puntualizan mu- chos temas y hacen las veces de subrayado ayudando a localizar los temas en re- F B vB xvi PREFACIO ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O
  15. 15. PREFACIO xvii visión. También puntualizan aplicaciones y sugerencias para resolver problemas. Un nuevo título, el de PRECAUCIÓN, puntualiza posibles malas interpretacio- nes analizadas en el texto adyacente. Eliminaciones. Para evitar que el libro sea demasiado largo, y también para redu- cir la carga sobre los estudiantes en temas más avanzados, muchos temas se recor- taron o simplificaron, y unos cuantos se eliminaron. Nuevos temas de física y principales revisiones He aquí una lista de los principales cambios o adiciones, pero existen muchos otros: Se usa más la simetría, incluso para resolver problemas Análisis dimensional, opcional (cap. 1) Más gráficas en cinemática (cap. 2) Eficiencia de máquinas (cap. 6, 15) Principio trabajo-energía y conservación de energía: nuevo apartado (cap. 6); con enfoque hacia la termodinámica (cap. 15) y la electricidad (cap. 17) Fuerza sobre una pelota de tenis por medio de una raqueta (cap. 7) Alas de aviones, bolas curvas, navegación y otras aplicaciones del principio de Bernoulli: mejorado y aclarado con material nuevo (cap. 10) Distinción de interferencia de ondas en espacio y tiempo (pulsos) (cap. 11) Corrimiento Doppler de la luz (ahora cap. 12) Radio de estrella gigante (cap. 14) Primera ley de la termodinámica reescrita y extendida, mejor relacionada con el principio trabajo-energía y la conservación de la energía (cap. 15) Agotamiento de recursos energéticos (cap. 15) Clasificación SEER (cap. 15) Separación de carga en no conductores (cap. 16) Ley de Gauss, opcional (cap. 16) Fotocopiadoras e impresoras de computadora (cap. 16) Direcciones de fuerza y campos eléctricos más enfatizados (cap. 16, 17) Potencial eléctrico mejor relacionado con el trabajo, más detalle (cap. 17) Efecto dieléctrico sobre capacitor con y sin conexión a voltaje más otros detalles (cap. 17) Derivación del capacitor de placas paralelas, opcional (cap. 17) Riesgos eléctricos, conexión a tierra, seguridad, interruptores de corriente: exten- dido con mucho material nuevo (cap. 17, 18, 19 especialmente, 20, 21) Corriente eléctrica, malas interpretaciones discutidas en el capítulo 18 Superconductividad actualizada (cap. 18) Voltaje terminal y fem reorganizados, con mayor detalle (cap. 19) Materiales magnéticos recortados (cap. 20) Reglas de la mano derecha resumidas en una tabla (cap. 20) Leyes de Faraday y Lenz extendidas (cap. 21) Circuitos CA acortados (cap.21),desplazamiento de corriente minimizado (cap.22) Presión de radiación y cantidad de movimiento de ondas EM (cap. 22) Dónde verse uno mismo en un espejo; dónde se ve en realidad una imagen forma- da por una lente (cap. 23) Pantalla de cristal líquido (LCD) (cap. 24) La física detrás de las cámaras digitales y los CCD (cap. 25) Cómo ver bajo el agua (cap. 25) Masa relativista reelaborada (cap. 26) Calores específicos de gases, equipartición de energía (apéndices) N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼
  16. 16. xviii PREFACIO Resolución de problemas, con enfoques nuevos y mejorados Ser capaz de resolver problemas es una técnica valiosa en general. Resolver problemas también es una forma efectiva de comprender la física con mayor profundidad. He aquí al- gunas de las formas que usa este libro para ayudar a los estudiantes a resolver con éxito los problemas. Recuadros de resolución de problemas, en total unos 20, se encuentran a lo largo del libro (hay un lista en la página xiii). Cada uno de ellos subraya una aproximación pa- so a paso para resolver problemas en general, o de manera específica para el material que se está estudiando. Los mejores estudiantes encontrarán que estos “recuadros” son innecesarios (pueden saltarlos), pero muchos estudiantes los encontrarán útiles como recordatorios de la aproximación general y de los pasos que conviene seguir pa- ra resolver problemas. El Recuadro de Resolución de Problemas general de la sección 4-9 está colocado ahí, después de que los estudiantes han tenido cierta experiencia en lidiar con los problemas, de modo que estarán motivados para leerlo con cuidadosa atención. Si se desea, la sección 4-9 puede cubrirse con antelación. No se pretende que los Recuadros de Resolución de Problemas sean una prescripción, sino más bien una guía. Por eso, en ocasiones siguen a los ejemplos para servir como un resumen para uso futuro. Las secciones de resolución de problemas (como las secciones 2-6, 3-6, 4-7, 6-7, 8-6 y 13-8) intentan proporcionar entrenamiento adicional en áreas donde la resolución de problemas es especialmente importante. Ejemplos: Los ejemplos trabajados, cada uno con un título para fácil referencia, caen en cuatro categorías: 1. La mayoría son ejemplos trabajados regulares que sirven como “problemas de práctica”. Se agregaron algunos nuevos, unos cuantos de la edición anterior se eli- minaron y muchos se trabajaron de nuevo para ofrecer mayor claridad, más pasos matemáticos, más de “por qué se hace de esta forma”; con el nuevo párrafo de plan- teamiento hay más análisis del razonamiento y el enfoque. La meta es “pensar en voz alta” con los estudiantes, y conducirlos a desarrollar perspicacia. El nivel de di- ficultad de los ejemplos trabajados para la mayoría de los temas aumenta gradual- mente, de modo que los más complicados se presentan junto con los problemas más difíciles al final de cada capítulo. Muchos ejemplos ofrecen relevantes aplicaciones a diversos campos y a la vida diaria. 2. Ejemplos paso a paso: Después de muchos de los Recuadros de Resolución de Problemas, el siguiente ejemplo está elaborado paso a paso siguiendo los pasos del recuadro precedente, sólo para mostrar a los estudiantes cómo utilizarlo.Tales so- luciones son largas y en ocasiones redundantes, así que sólo se incluye un ejemplo trabajado de esta forma. 3. Los ejemplos de estimación, aproximadamente un 10% del total, pretenden desa- rrollar las habilidades para realizar estimaciones de orden de magnitud, aun cuando los datos sean escasos e incluso cuando el estudiante jamás hubiera pensado que era posible un resultado.Vea, por ejemplo, en la sección 1-7, los ejemplos del 1-6 al 1-9. 4. Ejemplos conceptuales: Cada uno es una breve pregunta socrática que tiene la intención de estimular al estudiante a responder antes de leer la respuesta propor- cionada. Párrafo de PLANTEAMIENTO: Ahora todos los ejemplos numéricos trabajados tie- nen un breve párrafo de introducción antes de la solución, que da el enfoque e indica los pasos que conviene seguir para resolver el problema. NOTA: Ahora muchos ejemplos tienen una breve “nota” después de la solución, a ve- ces par remarcar la solución misma, en ocasiones para mencionar una aplicación, otras veces para proporcionar un enfoque alterno para resolver el problema. Estos nuevos párrafos de Nota permiten que el estudiante sepa que la solución se completó, y que ahora se menciona un tema (o temas) relacionado. Ejemplos adicionales: Algunos temas de física requieren muchos diferentes ejemplos trabajados para quedar claros. Pero tantos ejemplos en línea tal vez resulten abrumado- res para algunos estudiantes. En esos lugares, un subtítulo “Ejemplo(s) Adicional(es)” tiene la intención de sugerir a los estudiantes que podrían saltarse estos ejemplos en una primera lectura. Cuando los estudiantes los incluyan durante una segunda lectura del capítulo, seguramente les ayudarán a aumentar su habilidad para resolver un mayor rango de problemas. ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O ▼ N U E V O
  17. 17. PREFACIO xix N U E V O ▼ Los ejercicios dentro del texto, después de un ejemplo o de la deducción de una fórmu- la, brindan a los estudiantes una oportunidad de ver si comprenden lo suficiente como para responder una pregunta simple o realizar un cálculo sencillo. Las respuestas se pro- porcionan al final de la última página de cada capítulo. Los problemas al final de cada capítulo aumentaron en calidad y cantidad.Algunos de los problemas de la edición anterior se sustituyeron o se volvieron a escribir para hacer- los más claros,y/o se les cambiaron sus valores numéricos.Cada capítulo contiene un gran grupo de problemas ordenados por sección y graduados de acuerdo con la dificultad (aproximada): los problemas de nivel I son simples, diseñados para brindar confianza a los estudiantes; los del nivel II son problemas “normales”, que implican mayor desafío y con frecuencia la combinación de dos conceptos diferentes; los del nivel III son los más complejos y se pretende que sean problemas de “créditos adicionales” que desafia- rán incluso a los estudiantes más aventajados. El ordenamiento por número de sección es para ayudar a los profesores a elegir qué material quieren enfatizar,y significa que esos problemas dependen del material incluido hasta esa sección: en ocasiones, también se considera material presentado con anterioridad. Los problemas generales no están clasificados y se agrupan en conjunto al final de ca- da capítulo; representan tal vez el 30% de todos los problemas. Los problemas genera- les no necesariamente son más difíciles,pero tienen más probabilidad de hacer referencia a material de capítulos anteriores. Son útiles para los profesores que quieren ofrecer a los estudiantes unos cuantos problemas sin la pista de a qué sección deben remitirse o sobre el grado de dificultad. Las preguntas, también al final de cada capítulo, son de carácter conceptual. Ayudan a los estudiantes a usar y aplicar los principios y conceptos y, por tanto, a profundizar en su comprensión (o les permiten saber qué necesitan estudiar más). Asignación de problemas Sugiero que los profesores asignen un número significativo de problemas de los niveles I y II, así como un pequeño número de problemas generales, y reservar los problemas del ni- vel III sólo como “créditos adicionales” para estimular a los mejores estudiantes. Aunque la mayoría de los problemas del nivel I parecen sencillos, ayudarán a los alumnos a desa- rrollar confianza, una parte importante del aprendizaje, especialmente en física. Al final del libro se proporcionan las respuestas a los problemas con número impar. Organización El perfil general de esta nueva edición conserva un orden tradicional de los temas: mecá- nica (capítulos del 1 al 9); fluidos, vibraciones, ondas y sonido (capítulos del 10 al 12); teo- ría cinética y termodinámica (capítulos del 13 al 15); electricidad y magnetismo (capítulos del 16 al 22); luz (capítulos del 23 al 25) y física moderna (capítulo 26). Aquí están inclui- dos casi todos los temas que se incluyen en los cursos de introducción a la física. La tradición de comenzar con mecánica es sensata porque, históricamente, se desarro- lló primero y porque buena parte de la física depende de ella. Dentro de la mecánica exis- ten muchas formas de ordenar los temas, y este libro permite considerable flexibilidad. En particular, prefiero presentar estática después de dinámica, en parte porque muchos estu- diantes tienen problemas con el concepto de fuerza sin movimiento. Más aún, la estática es un caso especial de la dinámica: la estática se estudia para que uno pueda evitar que las es- tructuras se vuelvan dinámicas (es decir, se caigan). No obstante, la estática (capítulo 9) po- dría estudiarse antes, luego de una breve introducción a los vectores. Otra opción es la luz, la cual aparece después de electricidad y magnetismo y de las ondas EM. Pero la luz podría estudiarse inmediatamente después de la ondas (capítulo 11). La relatividad especial (ca- pítulo 26), si se desea, podría estudiarse junto con la mecánica, por ejemplo, después del capítulo 7. No es necesario dar el mismo peso a todos los capítulos. Mientras que los capítulos 4 y 21 podrían requerir 1 o 2 semanas de cobertura, los capítulos 12 y 22 quizás necesiten sólo 1 semana o incluso menos. Puesto que el capítulo 11 se ocupa de las ondas estaciona- rias, el 12 podría dejarse para lectura de los estudiantes si se tiene poco tiempo de clase disponible. El libro contiene más material del que es posible cubrir en la mayoría de los cursos de un año.Aunque existe gran flexibilidad para elegir los temas. Las secciones marcadas con aste- risco (*) se consideran opcionales. Contienen material de física ligeramente más avanzado 1 2
  18. 18. xx PREFACIO (material que rara vez se incluye en los cursos típicos) y/o aplicaciones interesantes. Esas secciones no contienen material necesario para los capítulos ulteriores, si acaso para las secciones opcionales posteriores. No todas las secciones sin estrella deben ser cubiertas; si- gue existiendo considerable flexibilidad en la elección del material. Para un curso breve, po- dría eliminarse todo el material opcional, así como buena parte de los capítulos 10, 12, 19 y 22, y tal vez partes seleccionadas de los capítulos 7, 8, 9, 15, 21, 24 y 25. Los temas no cu- biertos en clase podrían servir de aliciente para el posterior estudio de los alumnos. Nuevas aplicaciones Las aplicaciones relevantes de la física a diversos campos, como la biología, la medicina, la arquitectura, y a la vida cotidiana son una fuerte característica de este libro. Las aplicacio- nes son interesantes por ellas mismas,además de que responden la pregunta de los estudian- tes:“¿Por qué debo estudiar física?”.Se agregaron nuevas aplicaciones.He aquí unas algunas de ellas (véase la lista después de la tabla de contenido, en las páginas xii y xiii). Cámaras digitales, dispositivos de carga acoplada (CCD) (cap. 25) Pantallas de cristal líquido (LCD) (cap. 24) Seguridad en el manejo de la electricidad, riesgos y diversos tipos de interruptores de co- rriente y de circuito (cap. 17, 18, 19, 20, 21) Máquinas fotocopiadoras (cap. 16) Impresoras de inyección de tinta y láser (cap. 16) Los picos más altos del mundo (conversión de unidades, cap. 1) Detectores de metales en los aeropuertos (cap. 21) Usos de los capacitores (cap. 17) Visión bajo el agua (cap. 25) Clasificación SEER (cap. 15) Bola curva (cap. 10) Paso de corriente a un automóvil (cap. 19) Circuitos RC en marcapasos, señales de vuelta, limpiadores (cap. 19) Voltímetros digitales (cap. 19) Gracias Más de 50 profesores de física aportaron información y retroalimentación directa en cada aspecto del texto: organización, contenido, figuras y sugerencias para nuevos ejemplos y problemas.A continuación se mencionan los revisores de esta sexta edición. Con cada uno de ellos tengo una deuda de gratitud: Zaven Altounian (McGill University) David Amadio (Cypresss Falls Senior High School) Andrew Bacher (Indiana University) Rama Bansil (Boston University) Mitchell C. Begelman (University of Colorado) Cornelius Bennhold (George Washington University) Mike Berger (Indiana University) George W. Brandenburg (Harvard University) Robert Coakley (University of Southern Maine) Renee D. Diehl (Penn State University) Kathryn Dimiduk (University of New Mexico) Leroy W. Dubeck (Temple University) Andrew Duffy (Boston University) John J. Dykla (Loyola University Chicago) John Essick (Reed College) David Faust (Mt. Hood Community College) Gerald Feldman (George Washington University) Frank A. Ferrone (Drexel University) Alex Filippenko (University of California, Berkeley) Richard Firestone (Lawrence Berkeley Lab) Theodore Gotis (Oakton Community College) J. Erik Hendrickson (University of Wisconsin, Eau Claire) Laurent Hodges (Iowa State University) Brian Houser (Eastern Washington University) Brad Johnson (Western Washington University) Randall S. Jones (Loyola College of Maryland) Joseph A. Keane (St.Thomas Aquinas College) Arthur Kosowsky (Rutgers University) Amitabh Lath (Rutgers University) Paul L. Lee (California State University, Northridge) Jerome R. Long (virginia Tech) Mark Lucas (Ohio University) Dan MacIsaac (Northern Arizona University) William W. McNairy (Duke University) Laszlo Mihaly (SUNY Stony Brook) Peter J. Mohr (NIST) Lisa K. Morris (Washington State University) Paul Morris (Abilene Christian University) Hon-Kie Ng (Florida State University) Mark Oreglia (University of Chicago) Lyman Page (Princeton University) Bruce Partridge (Haverford College) R. Daryl Pedigo (University of Washington) Robert Pelcovits (Brown University) Alan Pepper (Campbell School,Adelaide,Australia) Kevin T. Pitts (University of Illinois) ▼ T O D A S S O N N U E V A S
  19. 19. xxi También estoy agradecido con aquellos otros físicos revisores de ediciones anteriores: David A.Aaron (South Dakota State University) Narahari Achar (Memphis State University) William T.Achor (Western Maryland College) Arthur Alt (College of Great Falls) John Anderson (University of Pittsburgh) Subhash Antani (Edgewood College) Atam P.Arya (West Virginia University) Sirus Aryainejad (Eastern Illinois University) Charles R. Bacon (Ferris State University) Arthur Ballato (Brookhaven National Laboratory) David E. Bannon (Chemeketa Community Colllege) Gene Barnes (California State University, Sacramento) Isaac Bass Jacob Becher (Old Dominion University) Paul A. Bender (Washington State University) Michael S. Berger (Indiana University) Donald E. Bowen (Stephen F.Austin University) Joseph Boyle (Miami-Dade Community College) Peter Brancazio (Brooklyn College, CUNY) Michael E. Browne (University of Idaho) Michael Broyles (Collin County Community College) Anthony Buffa (California Polytechnic State University) David Bushnell (Northern Illinois University) Neal M. Cason (University of Notre Dame) H. R. Chandrasekhar (University of Missouri) Ram D. Chaudhari (SUNY, Oswego) K. Kelvin Cheng (Texas Tech University) Lowell O. Christensen (American River College) Mark W. Plano Clark (Doane College) Irvine G. Clator (UNC,Wilmington) Albert C. Claus (Loyola University of Chicago) Scott Cohen (Portland State University) Lawrence Coleman (University of California, Davis) Lattie Collins (East Tennessee State University) Sally Daniels (Oakland University) Jack E. Denson (Mississippi State University) Waren Deshotels (Marquette University) Eric Dietz (California State University, Chico) Frank Drake (University of California, Santa Cruz) Paul Draper (University of Texas,Arlington) Miles J. Dressser (Washington State University) Ryan Droste (The College of Charleston) F. Eugene Dunnam (University of Florida) Len Feuerhelm (Okalhoma Christian University) Donald Foster (Wichita State University) Gregory E. Francis (Montana State University) Philip Gash (California State University, Chico) J. David Gavenda (University of Texas,Austin) Simon George (California State University, Long Beach) James Gerhart (University of Washington) Bernard Gerstman (Florida International University) Charles Glashausser (Rutgers University) Grant W. Hart (Brigham Young University) Hershel J. Hausman (Ohio State University) Melissa Hill (Marquette University) Mark Hillery (Hunter College) Hans Hochheimer (Colorado State University) Joseph M. Hoffman (Frostburg State University) Peter Hoffman-Pinther (University of Houston, Downtown) Alex Holloway (University of Nebraska, Omaha) Fred W. Inman (Mankato State University) M.Azad Islan (SUNY, Potsdam) James P. Jacobs (University of Montana) Larry D. Johnson (Northeast Louisiana University) Gordon Jones (Mississippi State University) Rex Joyner (Indiana Institute of Technology) Sina David Kaviani (El Camino College) Kirby W. Kemper (Florida State University) Sanford Kern (Colorado State University) James E. Kettler (Ohio University, Eastern Campus) James R. Kirk (Edinboro University of Pennsylvania) Alok Kuman (SUNY, Oswego) Sung Kyu Kim (Macalester College) Amer Lahamer (Berea College) Clement Y. Lam (North Harris College) David Lamp (Texas Tech University) Peter Landry (McGill University) Michael Lieber (University of Arkansas) Bryan H. Long (Columbia State College) Michael C. LoPresto (Henry Ford Community College) James Madsen (University of Wisconsin, River Falls) Ponn Mahes (Winthrop University) Robert H. March (University of Wisconsin, Madison) David Markowitz (University of Connecticut) Daniel J. McLaughlin (University of Hartford) E. R. Menzel (Texas Tech University) Robert Messina David Mills (College of the Redwoods) George K. Miner (University of Dayton) Victor Montemeyer (Middle Tennessee State University) Marina Morrow (Lansing Community College) Ed Nelson (University of Iowa) Dennis Nemeschansky (USC) Gregor Novak (Indiana University/Purdue University) Steven Pollock (University of Colorado, Boulder) W. Steve Quon (Ventura College) Michele Rallis (Ohio State University) James J. Rhyne (University of Missouri, Columbia) Paul L. Richards (University of California, Berkeley) Dennis Rioux (University of Wisconsin, Oshkosh) Robert Ross (University of Detroit, Mercy) Roy S. Rubins (University of Texas,Arlington) Wolfgang Rueckner (Harvard University Extension) Randall J. Scalise (Southern Methodist University) Arthur G. Schmidt (Northwestern University) Cindy Schwarz (Vassar College) Bartlett M. Sheinberg (Houston Community College) J. L. Shinpaugh (East Carolina University) Ross L. Spencer (Brigham Young University) Mark Sprague (East Carolina University) Michael G. Strauss (University of Oklahoma) Chun Fu Su (Mississippi State University) Ronald G.Taback (Youngstown State University) Leo H.Takahashi (Pennsylvania State University, Beaver) Raymond C.Turner (Clemson University) Robert C.Webb (Texas A&M University) Arthur Wiggins (Oakland Community College) Stanley Wojcicki (Stanford University) Edward L.Wright (University of California, Los Angeles) Andrzej Zieminski (Indiana University)
  20. 20. xxii PREFACIO Debo un agradecimiento especial a los profesores Bob Davis y J. Erik Hendrickson por mucha información valiosa, y en especial por trabajar todos los problemas y producir el Manual de soluciones con todas las respuestas a los problemas y preguntas, así como por proporcionar las respuestas a los problemas de número impar la final de este libro. Gracias también al equipo que dirigen (profesores David Curott, Bryan Long y Richard Louie, quienes también trabajaron todos los problemas y preguntas, y cada uno de ellos verificó a los demás. Estoy agradecido con los profesores Robert Coakley, Lisa Morris, Kathryn Dimiduk, Robert Pelcovits, Raymond Turner, Cornelius Bennhold, Gerald Feldman, Alan Pepper, Michael Strauss y Zaven Altounian, quienes inspiraron muchos de los ejemplos, preguntas, problemas y aclaraciones significativas. En especial quiero agradecer a los profesores Howard Shugart, Chris McKee y a mu- chos otros en el Departamento de Física de University of California, Berkeley, por las dis- cusiones útiles y por su hospitalidad. Gracias también al profesor Tito Arecchi y a otros en el Istituto Nazionale di Ottica, Florencia, Italia. Finalmente, debo agradecer a toda la gente en Prentice Hall con quienes he trabajado en este proyecto, especialmente a Paul Corey, Erik Fahlgren,Andrew Sobel, Chirag Thak- kar, John Challice y sobre todo a las altamente profesionales y maravillosamente dedica- das Karen Karlin y Susan Fisher. La responsabilidad final de todos los errores recae sobre mí. Doy la bienvenida a comentarios, correcciones y sugerencias+ tan pronto como sea po- sible para beneficiar a los estudiantes con la siguiente reimpresión. D.C.G. Roy J. Peterson (University of Colorado, Boulder) Frederck M. Phelps (Central Michigan University) Brian L. Pickering (Laney College) T.A. K. Pillai (University of Wisconsin, La Crosse) John Polo (Edinboro University of Pennsylvania) Michael Ram (University of Buffalo) John Reading (Texas A&M University) David Reid (Eastern Michigan University) Charles Richardson (University of Arkansas) William Riley (Ohio State University) Larry Rowan (University of North Carolina) D. Lee Rutledge (Oklahoma State University) Hajime Sakai (University of Massachusetts,Amberst) Thoma Sayetta (East Carolina University) Neil Schiller (Ocean County College) Ann Schmiedekamp (Pennsylvania State University, Ogontz) Juergen Schroeer (Illinois State University) Mark Semon (Bates College) James P. Sheerin (Eastern Michigan University) Eric Sheldon (University of Massachusetts, Lowell) K.Y. Shen (California State University, Long Beach) Marc Sher (College of William and Mary) Joseph Shinar (Iowa State University) Thomas W. Sills (Wilbur Wright College) Anthony A. Siluidi (Kent State University) Michael A. Simon (Housatonic Community College) Upindranath Singh (Embry-Riddle) Michael I. Sobel (Brooklyn College) Donald Sparks (Los Angeles Pierce College) Thor F. Stromberg (New Mexico State University) James F. Sullivan (University of Cincinnati) Kenneth Swinney (Bevill State Community College) Harold E.Taylor (Stockton State University) John E.Teggins (Auburn University en Montgomery) Colin Terry (Ventura College) Michael Thoennessen (Michigan State University) Kwok Yeung Tsang (Georgia Institute of Technology) Jagdish K.Tuli (Brookhaven National Laboratory) Paul Urone (CSU, Sacramento) Linn D.Van Woerkom (Ohio State University) S. L.Varghese (University of Southern Alabama) Jearl Walker (Cleveland State University) Robert A.Walking (University of Southern Maine) Jai-Ching Wang (Alabama A&M University) Thomas A.Weber (Iowa State University) John C.Wells (Tennessee Technological) Gareth Williams (San Jose State University) Wendall S.Williams (Case Western Reserve University) Jerry Wilson (Metropolitan State College at Denver) Lowell Wood (University of Houston) David Wright (Tidewater Community College) Peter Zimmerman (Louisiana State University) † Favor de enviar a: Correo electrónico: physics_service@prenhall.com o por correo postal: Physics Editor Prentice Hall Inc. One Lake Street Upper Saddle River, NJ 07458
  21. 21. xxiii Complementos y medios audiovisuales disponibles Complementos para el estudiante Compañero de bolsillo del estudiante (0-13-035249-7) de Biman Das (SUNY-Potsdam) Este libro en presentación rústica de 5” ϫ 7” contiene un resumen de Física: Princi- pios con aplicaciones, sexta edición, que incluye conceptos clave, ecuaciones, conse- jos y sugerencias. Guía de estudio del estudiante con soluciones seleccionadas (Volumen I: 0-13-035239-X, Volumen II: 0-13-146557-0) de Joseph Boyle (Miami-Dade Community College) Esta guía de estudio contiene explicaciones generales, ejercicios, frases y términos clave, exámenes para estudio, preguntas para revisión y soluciones a problemas de fin de capítulo seleccionados. Matemáticas para Física Universitaria (0-13-141427-5) de Biman Das (SUNY-Potsdam) Este texto, para estudiantes que necesitan ayuda con las herramientas matemáticas necesarias, muestra cómo las matemáticas se aplican directamente a la física, y expli- ca cómo superar la ansiedad matemática. Ejercicios de clasificación en física, edición del estudiante (0-13-144851-X) de Thomas L. O’Kuma (Lee College), David P. Maloney (Indiana University-Purdue University, Fort Wayne) y Curtis J. Hieggelke (Joliet Junior College) Las actividades de clasificación son un innovador tipo de ejercicio conceptual que pide a los estudiantes realizar juicios comparativos acerca de variaciones sobre una situación física particular.Este complemento incluye aproximadamente 200 ejercicios de clasificación que cubren toda la física clásica, excepto óptica. PH GradeAssist: Guía de inicio rápido del estudiante (0-13-141926-9) Esta guía de estudio (con código de acceso) contiene información acerca de cómo re- gistrar y usar el PH GradeAssist. Física interactiva: Libro de trabajo, segunda edición (0-13-067108-8) de Cindy Schwarz (Vassar College), John Ertel (Naval Academy), MSC.Software Este paquete con libro de trabajo y CD-ROM híbrido está diseñado para ayudar a los estudiantes a visualizar y trabajar con problemas físicos específicos por medio de si- mulaciones creadas a partir de archivos de Física Interactiva. Cuarenta problemas de diversa dificultad requieren que los estudiantes efectúen predicciones,cambien va- riables, corran y visualicen movimiento en la pantalla de la computadora. El libro de trabajo/guía de estudio que lo acompaña proporciona instrucciones, un repaso de fí- sica, sugerencias y preguntas. El CD-ROM contiene todo lo que los estudiantes nece- sitan para correr las simulaciones. Physlet® Physics (0-13-101969-4) de Wolfgang Christian y Mario Belloni (Davidson College) Este paquete de CD-ROM y texto tiene más de 800 applets Java interactivos listos pa- ra correr, que muchos profesores de física han adoptado. No se requiere ni servidor Web ni conexión a Internet. MCAT Physics: Guía de estudio (0-13-627951-1) de Joseph Boone (California Polytechnic State University-San Luis Obispo) Esta guía de estudio MCAT incluye repaso a profundidad, problemas prácticos y pre- guntas de repaso. Complementos para el profesor Test Item File (0-13-047311-1) Este banco de pruebas contiene aproximadamente 2800 preguntas de opción múlti- ple, verdadero o falso, de respuesta corta y de ensayo, de las cuales cerca del 25% son de carácter conceptual.Todas las preguntas están clasificadas por nivel de dificultad y referidas a la correspondiente sección de este libro. El Test Item File también está dis- ponible en formato electrónico, en CD-ROM, en el Centro de Recursos del Instructor.
  22. 22. xxiv Manual de soluciones del instructor (Volumen I: 0-13-035237-3, Volumen II: 0-13-141545-X) de Bob Davis (Taylor University) y J.Erik Hendrickson (University ofWisconsin-Eau Claire) El manual de soluciones contiene soluciones trabajadas y detalladas de todos los pro- blemas de fin de capítulo en este libro, así como respuestas a las preguntas. Están disponibles versiones electrónicas, en CD-ROM, en el Centro de Recursos del Instruc- tor para profesores con Microsoft Word o software compatible con Word. Manual de Recursos del Instructor (0-13-035251-9) de Katherine Whatley (University of North Carolina-Asheville) Este manual contiene esquemas de clases, notas, sugerencias de demostración, lectu- ras sugeridas y otros recursos de enseñanza. Centro de Recursos del Instructor en CD-ROM (0-13-035246-2) Este conjunto de dos CD contiene todas las ilustraciones y tablas del texto en forma- tos JPEG, Microsoft PowerPoint™ y Adobe PDF. Los profesores pueden tener vistas previas y secuencias de imágenes, realizar búsquedas por palabra clave, agregar no- tas de clase e incorporar sus propios recursos digitales.También contiene un TestGe- nerator, un programa fácil de usar que se puede poner en red para crear pruebas que van de los acertijos cortos a extensos exámenes. Los profesores pueden usar el Edi- tor de Preguntas para modificar las preguntas o problemas existentes, que incluyen versiones algorítmicas, o crear unos nuevos. Los CD también contienen clases adicio- nales en PowerPoint, más versiones electrónicas del Manual de Recursos del Instruc- tor, del Manual de Soluciones del Instructor y preguntas y problemas de fin de capítulo para este libro. Paquete de transparencias (0-13-035245-4) El paquete incluye aproximadamente 400 transparencias a todo color de imágenes y tablas de este libro. Video “Física que puedes ver” (0-205-12393-7) Este video contiene once demostraciones físicas clásicas, cada una con duración de 2 a 5 minutos. Sistemas de administración de curso WebCT y Blackboard permiten a los profesores asignar y calificar tareas en línea, ad- ministrar su lista de alumnos y su libro de calificaciones, y colocar documentos relacio- nados con el curso. Los cartuchos para WebCT y Blackboard son específicos de texto e incluyen: Herramientas de enseñanza justo a tiempo: calentamientos, rompecabezas y apli- caciones, por Gregor Novak y Andrew Gavrin (Indiana University-Purdue Uni- versity, Indianapolis) Ejercicios de clasificación por Thomas L. O’Kuma (Lee College), David P. Ma- loney (Indiana University-Purdue University, Fort Wayne) y Curtis J. Hieggelke (Joliet Junior College) Physlet® Problems por Wolfgang Christian y Mario Belloni (Davidson College) Problemas de práctica de algoritmos por Carl Adler (East Carolina University) Guía de estudio MCAT con preguntas de “Kaplan Test Prep and Admissions” Companion Website (http://physics.prenhall.com/giancolippa) Este sitio contiene problemas prácticos, objetivos, preguntas prácticas, destinos (vín- culos a sitios relacionados) y aplicaciones con vínculos a sitios relacionados. Los pro- blemas y preguntas prácticos son calificados por computadora,y los resultados pueden ser enviados automáticamente por correo electrónico al profesor. Sistemas de tareas en línea ph GradeAssist (www.prenhall.com/phga) PH GradeAssist (PHGA) es el sistema de tareas en línea de Prentice Hall. Incluye con- tenido asociado con materiales de enseñanza justo a tiempo, Physlet Problems, pre- guntas conceptuales y cuantitativas, y cientos de problemas de fin de capítulo de este libro.Muchos de los problemas de fin de capítulo tienen una variante generada de ma- nera algorítmica. Permite a los profesores editar las preguntas, crear nuevas y contro-
  23. 23. lar parámetros importantes, tales como cuánto vale una pregunta y cuándo un estu- diante puede tomar una prueba. PH GradeAssist: Guía de inicio rápido del instructor (0-13-141927-7) Esta guía (con código de acceso) ayuda a los instructores a registrarse para usar el PH GradeAssist. WebAssign (www.webassign.net) WebAssign es un sistema de en línea alojado nacionalmente que permite a los pro- fesores crear, colocar, recopilar, calificar y registrar tareas a partir de una base de da- tos, lista para usar, de problemas y preguntas de este libro. CAPA y LON-CAPA Enfoque Personalizado Asistido por Computadora (CAPA, por sus siglas en inglés) es un sistema en línea alojado localmente que permite a los profesores crear, colocar, recopilar, calificar y registrar tareas a partir de una base de datos, lista para usar, de problemas y preguntas de este libro. La Red de Aprendizaje en Línea con un Enfo- que Personalizado Asistido por Computadora (LON-CAPA, por sus siglas en inglés) es un sistema integrado para aprendizaje y asignación en línea. Consiste en un sistema de administración del curso, un sistema individualizado de tareas y calificación auto- mática, una colección de datos y un sistema de extracción de datos, así como un siste- ma de entrega de contenido que proporcionará vías de acceso hacia y desde la National STEM Digital Library del NSF. xxv
  24. 24. NOTAS A LOS ESTUDIANTES (Y PROFESORES) ACERCA DEL FORMATO 1. Las secciones marcadas con asterisco (*) se consideran opcionales. Pueden omi- tirse sin interrumpir el flujo principal de los temas. Ningún material posterior depende de ellas a excepción de algunas secciones posteriores también con aste- risco. Será divertido leerlas. 2. Se usan las convenciones comunes: los símbolos para cantidades (como m para masa) aparecen en itálicas, mientras que las unidades (como m para metro) apa- recen en redondas. Los símbolos para vectores se presentan en negritas con una pequeña flecha encima: 3. Pocas ecuaciones son válidas en todas las situaciones. Cuando resulte práctico, las limitaciones de las ecuaciones importantes se establecen en corchetes a continuación de la ecuación. Las ecuaciones que representan las grandes leyes de la física se presentan en una pantalla, al igual que algunas otras ecuaciones indispensables. 4. El número de cifras significativas (sección 1-4) no se debe suponer mayor o me- nor que lo indicado: si un número es establecido como 6, por ejemplo, con sus uni- dades, ello significa que es 6 y no 6.0 o 6.00. 5. Al final de cada capítulo se incluye un conjunto de preguntas que los estudiantes deben tratar de responder (por ellos mismos, al menos). Después se incluyen pro- blemas que están clasificados como de nivel I, II o III, de acuerdo con la dificul- tad estimada, siendo los problemas del nivel I los más sencillos. Los del nivel II son problemas normales, y los de nivel III son para “créditos adicionales”. Estos pro- blemas clasificados están ordenados por sección, pero los problemas para una sec- ción dada también pueden depender de material estudiado con anterioridad.Sigue un grupo de problemas generales que no están ordenados por sección ni clasifica- dos por dificultad. Las preguntas y problemas que se relacionan con secciones op- cionales tienen un asterisco (*). Al final del libro se ofrecen las respuestas a los problemas con número non. 6. Ser capaz de resolver problemas es una parte esencial del aprendizaje de la física, y representa un poderoso medio para entender los conceptos y principios. Este li- bro contiene muchos auxiliares para resolver problemas: a) Ejemplos trabajados y sus soluciones en el texto (resaltados con una línea vertical en el margen) que hay que estudiar como una parte integral del texto; b) algunos de los ejemplos traba- jados son ejemplos de estimación,que muestran cómo se obtienen resultados apro- ximados, incluso cuando los datos proporcionados son escasos (véase la sección 1-7); c) “Recuadros de resolución de problemas” especiales colocados a lo largo del texto para sugerir un enfoque paso a paso a la resolución de problemas para un tema particular. Pero no hay que quedarse con la idea de que cada tema tiene sus propias “técnicas”, porque las bases permanecen iguales; a algunos de estos recua- dros les sigue un ejemplo que está resuelto mediante el seguimiento explícito de los pasos sugeridos; d) secciones especiales de resolución de problemas; e) notas mar- ginales de “Resolución de problemas” (véase el punto 9 más adelante) que se re- fieren a sugerencias para resolver problemas dentro del texto; f) ejercicios dentro del texto que es conveniente trabajar inmediatamente y luego comparar la res- puesta con la que se proporciona al final de la última página de ese capítulo; g) los problemas mismos al final de cada capítulo (punto 5 anterior). 7. Los ejemplos conceptuales precisamente son más conceptuales que numéricos. Cada uno plantea una o dos preguntas, que tienen la finalidad de hacer pensar al estudiante para dar con una respuesta. Es recomendable darse un poco de tiem- po para hallar la respuesta antes de leer la respuesta ofrecida. 8. Los subtítulos de “Ejemplos adicionales” contienen ejemplos que el estudiante podría saltarse en una primera lectura, en caso de que se sienta abrumado. Pero uno o dos días más tarde, al leer el capítulo una segunda vez, también hay que in- tentar trabajar estos ejemplos porque ayudarán a mejorar la habilidad para resol- ver un amplio rango de problemas. 9. Notas marginales: Las breves notas en el margen de casi cada página están impre- sas en azul y son de cinto tipos: a) notas ordinarias (la mayoría) que sirven como una especie de subrayado del texto y ayudarán, más tarde, a localizar conceptos y F B . xxvii
  25. 25. ecuaciones importantes; b) notas que se refieren a las grandes leyes y principios de la física, que están en letras mayúsculas y en un recuadro para resaltarlas; c) no- tas que se refieren a una sugerencia o técnica de resolución de problemas tratada en el texto,que se identifican por el título“Resolución de problemas”;d) notas que se refieren a una aplicación de la física en el texto o a un ejemplo, y que aparecen bajo el título “Física aplicada”; e) notas de “Precaución” que puntualizan una po- sible mala interpretación, definida con claridad en el texto adyacente. 10. En los apéndices se encuentra un repaso matemático más algunos temas adicio- nales. En las cubiertas interiores se incluyen datos útiles, factores de conversión y fórmulas matemáticas. xxviii
  26. 26. Agradecimientos Agradecemos a todos los profesores que han sido leales usuarios y han impartido la materia de Física en los países de habla hispana con el apoyo del reconocido libro de Giancoli. Sus valiosos comentarios han servido para enriquecer el desarrollo de la actual edición. Esperamos que con el uso de este texto cumplan satisfactoriamente los objetivos del programa del cur- so y preparen a sus alumnos para enfrentar los retos actuales dentro del ámbito de las ciencias. En especial deseamos agra- decer el apoyo y retroalimentación que nos han dado los siguientes profesores: COLOMBIA Abraham Lincoln Clara Ortiz Anglo Americano Miguel Tolosa Cardenal Paccelly Jenny Correa Emmanuel d’Alzon Francisco Ruggiero Gimnasio del Norte Luis Eduardo Cano María Mazzarello Diana Medina San Jorge de Inglaterra Nelson Roby MÉXICO Bachillerato Internacional Víctor Gerardo Delgado CIDEB Margarita Nerio Colego Arji Nancy de Alba Bellizzia Colegio Columbio Eliseo García Sosa Colegio Franco Inglés Fernando Macías Martínez Colegio Hebreo Tarbut Esther Murrow Colegio México – Bachillerato María del Socorro García Manuel Carrillo Ricaldi Colegio Montaignac Juana Velázquez Colegio Rossland Víctor Manuel Jiménez Romero Colegio Simón Bolivar Alejandro Jiménez Rubén Darío Díaz Rojas Colegio Unión Martha Patricia Elingher Colegio Vermont Pastor Martínez Escuela Internacional S.C. José Luis Juambelz Escuela Nacional Preparatoria Plantel 6 Luis Fernando Terán Mendieta José Arturo Mompala I.E.S.CH. Samuel León Brindis Manuel de Jesús Arreola Ruiz Instituto Mier y Pesado Cayetano Andrade Zavala Instituto Simón Bolivar Isaac Galindo ITESM campus Querétaro Jaime Salvador Castellanos Preparatoria Cumbres Enrique Barreto Trujano Preparatoria Motolinia Gerardo Zavala Rodríguez Universidad del Valle de México Ivonne Ibarra Silva Universidad La Salle A.C. Alberto Lima Universidad St John’s Margarito Rodríguez
  27. 27. FÍSICA 2PRINCIPIOS CON APLICACIONES
  28. 28. Esta fotografía de la Tierra, mejorada en computadora, se tomó desde aproximadamente 36,000 km de distancia. Bajo las nubes, Norteamérica es claramente visible. Desde es- ta distancia el “cielo” es negro. (En el capítulo 24 se explica por qué el cielo se ve azul desde la Tierra). Este capítulo comienza con el apren- dizaje de algunos principios acerca de la ciencia y sus teorías, y acerca de medición y unidades. También se aprende cómo reali- zar estimaciones rápidas. 1 CAPÍTULO1 Introducción, medición, estimación L a física es la más básica de las ciencias. Trata del comportamiento y la estruc- tura de la materia. En general, el campo de la física se divide en física clásica, que incluye movimiento, fluidos, calor, sonido, luz, electricidad y magnetis- mo, y física moderna, que incluye los temas de relatividad, estructura atómica, materia condensada, física nuclear, partículas elementales, y cosmología y astrofísica. La mayor parte de estos temas se cubrirán en el presente libro, y se dará inicio con el movi- miento (o mecánica, como se le llama con frecuencia). Pero, antes de comenzar con la física en sí, daremos un breve vistazo a cómo se practica en realidad esta actividad general llamada “ciencia”, que incluye a la física. La naturaleza de la ciencia Por lo general, se considera que la meta principal de todas las ciencias, incluida la fí- sica, es la búsqueda de un determinado orden en las observaciones del mundo a nuestro alrededor. Muchas personas piensan que la ciencia es un proceso mecánico de recolección de datos y hechos e invención de teorías. Pero la labor científica no es tan simple. La ciencia es una actividad creativa que, en muchos aspectos, se ase- meja a otras actividades de la mente humana. 1–1
  29. 29. 2 CAPÍTULO 1 Introducción, medición, estimación FIGURA 1-1 Aristóteles es la figura central en lo alto de las escaleras (la figura a su lado es Platón) en este famoso retrato renacentista de La escuela de Atenas, pintado por Rafael alrededor de 1510. También en esta pintura, considerada una de las grandes obras maestras, están Euclides (es el que dibuja un círculo en la parte inferior derecha), Ptolomeo (en el extremo derecho, con un globo terráqueo), Pitágoras, Sócrates y Diógenes. Un aspecto importante de la ciencia es la observación de los eventos, que inclu- ye el diseño y realización de experimentos. Pero la observación requiere imagina- ción, ya que los científicos nunca pueden incluir todo lo que observan en una sola descripción. En consecuencia, los científicos deben emitir juicios acerca de lo que es relevante en sus observaciones y experimentos. Consideremos, por ejemplo, cómo dos grandes mentes, Aristóteles (384-322 a.C.; figura 1-1) y Galileo (1564-1642; figu- ra 2-17), interpretaron el movimiento a lo largo de una superficie horizontal. Aristó- teles notó que los objetos a los que se les daba un empujón inicial a lo largo del suelo (o sobre una mesa), siempre se desaceleraban y se detenían. En consecuencia, Aristóteles argumentó que el estado natural de un objeto es el reposo. Galileo, en su revisión del movimiento horizontal a principios de los años 1600, sugirió que, si se pudiera eliminar la fricción, un objeto al que se le diera un empujón inicial a lo largo de una superficie horizontal continuaría moviéndose indefinidamente sin detenerse. Galileo concluyó entonces que, para un objeto, era tan natural estar en movimiento como estar en reposo. Al desarrollar este nuevo enfoque, Galileo fundó la visión moderna del movimiento (capítulos 2, 3 y 4). Este salto se llevó a cabo de manera conceptual, sin eliminar en realidad la fricción. La observación, complementada con la experimentación y la medición, es una parte del proceso científico. La otra parte es el desarrollo o la creación de teorías que permitan explicar y darle un determinado orden a las observaciones. Las teorías nunca se derivan directamente de las observaciones; sin embargo, éstas siempre pue- den ayudar a inspirar una teoría, y las teorías se aceptan o se rechazan con base en la observación y la experimentación. Las teorías son inspiraciones elaboradas en las mentes de los seres humanos. Por ejemplo, no se llegó a la idea de que la materia está constituida de átomos (la teoría atómica) a partir de la observación directa de los átomos, pues no es posible verlos directamente. La idea surgió de las mentes creativas. La teoría de la relativi- dad, la teoría electromagnética de la luz y la ley de Newton de la gravitación univer- sal fueron, igualmente, el resultado de la imaginación humana. Las grandes teorías de la ciencia se pueden comparar, al igual que los logros creativos, con las grandes obras de arte o la literatura. Pero, ¿cómo difiere la ciencia de estas otras actividades creativas? Una diferencia importante es que la ciencia re- quiere pruebas de sus teorías para ver si sus predicciones son corroboradas por el experimento. Pero las teorías no se “confirman” con las pruebas. Es importante te- ner en cuenta que ningún instrumento de medición es perfecto, y, por tanto, la con- firmación exacta de una teoría no es posible. Además, no es factible probar una teoría para todos los posibles conjuntos de circunstancias. En consecuencia, una teo- ría nunca puede ser absolutamente “confirmada”. De hecho, la historia de la ciencia dice que las teorías que se han sostenido durante mucho tiempo pueden ser sustitui- das por otras nuevas. Teorías Puesta a prueba de una teoría Observación y experimento El movimiento es tan natural como el reposo
  30. 30. SECCIÓN 1–2 La física y su relación con otros campos 3 En algunos casos, una nueva teoría es aceptada por los científicos porque sus predicciones se encuentran cuantitativamente en mejor concordancia con el experi- mento que aquellas predicciones de la teoría precedente. Pero, en muchos casos, una nueva teoría sólo es aceptada si explica un mayor rango de fenómenos de los que explica la anterior. Por ejemplo, la teoría de Copérnico del Universo centrado en el Sol (figura 1-2b), originalmente no fue más precisa que la teoría de Ptolomeo cen- trada en la Tierra (figura 1-2a) para predecir el movimiento de los cuerpos celestes (Sol, Luna, planetas). Pero la teoría de Copérnico tuvo consecuencias que la de Pto- lomeo no tuvo, tales como predecir las fases “lunares” de Venus. Una teoría más simple y más rica, una que unifique y explique una mayor variedad de fenómenos, es más útil y bella para un científico. Y este aspecto, así como la concordancia cuantita- tiva, juega un papel fundamental en la aceptación de una teoría. Un aspecto importante de cualquier teoría es qué tan bien predice los fenóme- nos de forma cuantitativa. Desde este punto de vista, una nueva teoría puede pare- cer un avance menor sobre la anterior. Por ejemplo, la teoría de Einstein de la relatividad ofrece predicciones que difieren muy poco de las teorías más antiguas de Galileo y Newton en casi todas las situaciones cotidianas. Sus predicciones son me- jores especialmente en el caso extremo de velocidades muy altas cercanas a la de la luz. Pero la predicción cuantitativa no es el único resultado importante de una teo- ría. También la visión del mundo se ve afectada. Como resultado de la teoría de la relatividad de Einstein, por ejemplo, los conceptos de espacio y tiempo han sido completamente alterados, y se ha llegado a entender la masa y la energía como una sola entidad (mediante la famosa ecuación E ϭ mc2 ). La física y su relación con otros campos Durante mucho tiempo, la ciencia era más o menos un todo unido conocido como filosofía natural. No fue sino hasta hace un siglo o dos que las distinciones entre la física y la química, e incluso las ciencias de la vida, se volvieron prominentes. De he- cho, la clara distinción que ahora se observa entre las artes y las ciencias, tiene en sí misma sólo unos cuantos siglos de antigüedad. Entonces, no es de sorprender que el desarrollo de la física haya influido en otras disciplinas y al mismo tiempo haya re- cibido influencia de otros campos. Por ejemplo, los cuadernos de notas (figura 1-3) 1–2 a) b) FIGURA 1-2 a) Visión geocéntrica del universo propuesta por Ptolomeo. Observa en el centro los cuatro elementos de los antiguos: tierra, agua, aire (nubes alrededor de la Tierra) y fuego; luego los círculos, con símbolos respectivos, para la Luna, Mercurio, Venus, Sol, Marte, Júpiter, Saturno, las estrellas fijas y los signos del zodiaco. b) Una de las primeras representaciones de la visión heliocéntrica del universo propuesta por Copérnico, con el Sol en el centro. (Ver el capítulo 5.) FIGURA 1-3 Estudio de Leonardo da Vinci (1452 – 1519) acerca de las fuerzas en las estructuras Aceptación de la teoría
  31. 31. 4 CAPÍTULO 1 Introducción, medición, estimación de Leonardo da Vinci, el gran artista, investigador e ingeniero del Renacimiento, contienen las primeras referencias a las fuerzas que actúan dentro de una estructu- ra, una materia que en la actualidad se considera como física; pero entonces, como ahora, era un asunto con enorme relevancia para la arquitectura y la construcción. El primer trabajo en electricidad que condujo al descubrimiento de la batería eléctrica y de la corriente eléctrica fue realizado por un fisiólogo del siglo XVIII, Lui- gi Galvani (1737-1798). Galvani notó la contracción de las piernas de las ranas en respuesta a una chispa eléctrica y después observó que los músculos se contraían cuando se ponían en contacto con dos metales diferentes (capítulo 18). Al principio, este fenómeno se conoció como “electricidad animal”, pero en poco tiempo fue cla- ro que la corriente eléctrica misma podía existir en ausencia de un animal. La física se usa en muchos campos. Un zoólogo, por ejemplo, encuentra que la física es útil para entender cómo los perros de las praderas y otros animales pueden vivir bajo tierra sin sofocarse. Un terapeuta físico hará un trabajo más efectivo si es- tá al tanto de los principios del centro de gravedad y la acción de las fuerzas dentro del cuerpo humano. El conocimiento de los principios operativos de la óptica y del equipo electrónico es de utilidad en varios campos. Los científicos de la vida y los arquitectos estarán interesados por igual en la naturaleza de la pérdida y la ganancia de calor en los seres humanos y la comodidad o incomodidad resultantes. Es posible que los propios arquitectos no tengan que calcular, por ejemplo, las dimensiones de las tuberías en un sistema de calentamiento o las fuerzas involucradas en una es- tructura dada para determinar si ésta permanecerá en pie (figura 1-4). Pero los ar- quitectos deben conocer los principios detrás de dichos análisis con la finalidad de realizar diseños realistas y comunicarse, de manera efectiva, con los consultores de in- geniería y otros especialistas. Desde el punto de vista estético o psicológico, los ar- quitectos también deben estar atentos a las fuerzas involucradas en una estructura, pues la inestabilidad, incluso si sólo es aparente, podría resultar incómoda para quienes viven o trabajan en esa estructura. La lista de relaciones de la física con otros campos es extensa. En los capítulos que siguen se analizarán muchas de tales aplicaciones en la medida en que se avan- ce hacia la meta principal de explicar la física básica. Modelos, teorías y leyes Cuando los científicos intentan comprender un conjunto determinado de fenóme- nos, con frecuencia hacen uso de un modelo, el cual, en el sentido científico, es una especie de analogía o imagen mental de los fenómenos en términos de algo más con lo que ya se está familiarizado. Un ejemplo es el modelo ondulatorio de la luz. No podemos ver las ondas de luz como podemos ver las ondas en el agua. Pero es signi- 1–3 Modelos a) b) FIGURA 1-4 a) Este acueducto romano fue construido hace 2000 años y todavía está en pie. b) Colapso del Centro Cívico Hartford en 1978, a sólo dos años después de ser construido. La física se aplica a muchos campos
  32. 32. SECCIÓN 1–4 Medición e incertidumbre; cifras significativas 5 ficativo pensar en la luz como si estuviese constituida por ondas, porque los experi- mentos indican que la luz se comporta, en muchos aspectos, como lo hace el agua. El propósito de un modelo es proporcionar un cuadro mental o visual en el cual nos basamos cuando no se puede ver o entender lo que en realidad está sucediendo. Con frecuencia, los modelos nos ofrecen una comprensión más profunda: la analo- gía con un sistema conocido (por ejemplo, las ondas en el agua en el ejemplo ante- rior) sugiere nuevos experimentos a realizar y proporciona ideas acerca de qué otros fenómenos relacionados pueden ocurrir. ¿Cuál es la diferencia entre una teoría y un modelo? Por lo general, un modelo es relativamente simple y proporciona una similitud estructural con el fenómeno a ser estudiado. Una teoría es más amplia, más detallada y ofrece predicciones cuantitativa- mente comprobables, con frecuencia más precisas. Sin embargo, es importante no con- fundir un modelo o una teoría con el sistema real o con los fenómenos mismos. Los científicos dan el título de ley a ciertas afirmaciones concisas pero genera- les acerca de cómo se comporta la naturaleza (por ejemplo, que la energía se con- serva). En ocasiones, la afirmación toma la forma de una relación o ecuación entre cantidades (como en la segunda ley de Newton, F ϭ ma). Para tener el carácter de ley, una afirmación debe ser experimentalmente váli- da sobre un amplio rango de fenómenos observados. Para afirmaciones menos gene- rales, se usa el término principio (como el principio de Arquímedes). Las leyes científicas son diferentes de las leyes políticas, pues estas últimas son prescriptivas: dicen cómo nos debemos comportar. Las leyes científicas son descrip- tivas: no dicen cómo se debe comportar la naturaleza, sino más bien intentan descri- bir cómo se comporta la naturaleza. Al igual que con las teorías, las leyes no se pueden poner a prueba en la infinita variedad de casos posibles. Así que no pode- mos estar seguros de que alguna ley es absolutamente verdadera. El término “ley” se usa cuando su validez se ha probado sobre un amplio rango de casos, y cuando están claramente comprendidas algunas de sus limitaciones y su rango de validez. Normalmente, los científicos realizan su trabajo como si las leyes y teorías acep- tadas fuesen verdaderas. Pero están obligados a mantener una mentalidad abierta en caso de que nueva información altere la validez de alguna ley o teoría dada. Medición e incertidumbre; cifras significativas En la búsqueda por comprender el mundo que nos rodea, los científicos intentan desarrollar relaciones entre cantidades físicas susceptibles de medición. Incertidumbre Las medidas exactas y precisas son una parte importante de la física. Pero ninguna medición es absolutamente precisa. Existe una incertidumbre asociada con toda me- dición. Entre las fuentes más importantes de incertidumbre, distintas a los errores, están la exactitud limitada de todo instrumento de medición y la incapacidad para leer un instrumento más allá de cierta fracción de la división más pequeña mostra- da. Por ejemplo, si se quiere utilizar una regla graduada en centímetros para medir el ancho de una tabla (figura 1-5), se puede afirmar que el resultado es preciso has- ta aproximadamente 0.1 cm (1 mm), la división más pequeña en la regla, aunque la mitad de este valor también es una afirmación válida. La razón para esto es que es difícil para el observador estimar entre las divisiones más pequeñas. Más aún, quizá la regla misma no se fabricó pensando en una exactitud mayor que ésta.† 1–4 Teorías (versus modelos) Leyes y principios † Existe una diferencia técnica entre “precisión” y “exactitud”. Precisión, en un sentido estricto, se refiere al carácter repetible de la medición con el uso de un instrumento dado. Por ejemplo, si mi- de el ancho de una tabla muchas veces y obtiene resultados como 8.81 cm, 8.85 cm, 8.78 cm, 8.82 cm (con estimaciones entre las marcas de 0.1 cm lo mejor posible en cada oportunidad), podría decir que las mediciones dan una precisión un poco mejor que 0.1 cm. La exactitud se refiere a cuán cerca del valor verdadero está una medición. Por ejemplo, si la regla que se muestra en la figura 1-5 estu- viese fabricada con un error del 2%, la exactitud en la medición del ancho de la tabla (aproximadamen- te 8.8 cm) sería más o menos el 2% de 8.8 cm, o alrededor de ± 0.2 cm. Estimar la incertidumbre significa tomar en consideración tanto la exactitud como la precisión. FIGURA 1-5 Medición del ancho de una tabla con una regla graduada en centímetros. La exactitud es de aproximadamente ± 1 mm. Toda medición tiene una incertidumbre

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